Bei der Entwicklung moderner Leichtbaustrukturen kommen der Auswahl der Fügetechnik und der Gestaltung von Lasteinleitungszonen eine besondere Bedeutung zu. Für die lokale Einleitung von Kräften in Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sind metallische Inserts branchenübergreifend in vielen Anwendungsbereichen etabliert. Sie können die Tragfähigkeit klassischer Bolzenverbindungen erhöhen und bieten umfassende Möglichkeiten zur Funktionalisierung. Derartige Inserts werden zumeist nach der Bauteilfertigung in einem separaten Prozessschritt in die FKV-Struktur integriert. Das hierzu notwendige Vorloch wird in der Regel mittels Bohren eingebracht, wobei die lasttragenden Verstärkungsfasern geschädigt werden. Alternativ können die Vorlöcher mit einem Dornwerkzeug hergestellt werden, wobei die Verstärkungsfasern umorientiert statt durchtrennt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Technologie entwickelt, bei der simultan zur Warmlochformung mittels Dornwerkzeug ein metallisches Insert in den thermoplastischen FKV integriert wird. Zur Entwicklung der neuartigen Technologie sowie geeigneter Inserts wurde ein tiefgreifendes Verständnis des Einformprozesses und der daraus resultierenden lokalen Werkstoffstruktur erarbeitet. Für die Überführung in die Anwendung ist zudem eine Methodik zur Modellierung der Lasteinleitungszonen bereitgestellt worden, um eine numerische Vorauslegung zu ermöglichen. Darüber hinaus wurde das Tragverhalten umfassend charakterisiert, um das Anwendungspotential bewerten zu können.
Aktualisiert: 2023-06-27
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Bei der Entwicklung moderner Leichtbaustrukturen kommen der Auswahl der Fügetechnik und der Gestaltung von Lasteinleitungszonen eine besondere Bedeutung zu. Für die lokale Einleitung von Kräften in Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sind metallische Inserts branchenübergreifend in vielen Anwendungsbereichen etabliert. Sie können die Tragfähigkeit klassischer Bolzenverbindungen erhöhen und bieten umfassende Möglichkeiten zur Funktionalisierung. Derartige Inserts werden zumeist nach der Bauteilfertigung in einem separaten Prozessschritt in die FKV-Struktur integriert. Das hierzu notwendige Vorloch wird in der Regel mittels Bohren eingebracht, wobei die lasttragenden Verstärkungsfasern geschädigt werden. Alternativ können die Vorlöcher mit einem Dornwerkzeug hergestellt werden, wobei die Verstärkungsfasern umorientiert statt durchtrennt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Technologie entwickelt, bei der simultan zur Warmlochformung mittels Dornwerkzeug ein metallisches Insert in den thermoplastischen FKV integriert wird. Zur Entwicklung der neuartigen Technologie sowie geeigneter Inserts wurde ein tiefgreifendes Verständnis des Einformprozesses und der daraus resultierenden lokalen Werkstoffstruktur erarbeitet. Für die Überführung in die Anwendung ist zudem eine Methodik zur Modellierung der Lasteinleitungszonen bereitgestellt worden, um eine numerische Vorauslegung zu ermöglichen. Darüber hinaus wurde das Tragverhalten umfassend charakterisiert, um das Anwendungspotential bewerten zu können.
Aktualisiert: 2023-06-27
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Bei der Entwicklung moderner Leichtbaustrukturen kommen der Auswahl der Fügetechnik und der Gestaltung von Lasteinleitungszonen eine besondere Bedeutung zu. Für die lokale Einleitung von Kräften in Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sind metallische Inserts branchenübergreifend in vielen Anwendungsbereichen etabliert. Sie können die Tragfähigkeit klassischer Bolzenverbindungen erhöhen und bieten umfassende Möglichkeiten zur Funktionalisierung. Derartige Inserts werden zumeist nach der Bauteilfertigung in einem separaten Prozessschritt in die FKV-Struktur integriert. Das hierzu notwendige Vorloch wird in der Regel mittels Bohren eingebracht, wobei die lasttragenden Verstärkungsfasern geschädigt werden. Alternativ können die Vorlöcher mit einem Dornwerkzeug hergestellt werden, wobei die Verstärkungsfasern umorientiert statt durchtrennt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Technologie entwickelt, bei der simultan zur Warmlochformung mittels Dornwerkzeug ein metallisches Insert in den thermoplastischen FKV integriert wird. Zur Entwicklung der neuartigen Technologie sowie geeigneter Inserts wurde ein tiefgreifendes Verständnis des Einformprozesses und der daraus resultierenden lokalen Werkstoffstruktur erarbeitet. Für die Überführung in die Anwendung ist zudem eine Methodik zur Modellierung der Lasteinleitungszonen bereitgestellt worden, um eine numerische Vorauslegung zu ermöglichen. Darüber hinaus wurde das Tragverhalten umfassend charakterisiert, um das Anwendungspotential bewerten zu können.
Aktualisiert: 2023-06-27
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In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden.
Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.
Aktualisiert: 2023-06-21
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In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden.
Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.
Aktualisiert: 2023-06-21
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In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden.
Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.
Aktualisiert: 2023-06-21
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In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden.
Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.
Aktualisiert: 2023-06-21
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Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind Hochleistungswerkstoffe des Leichtbaus. Bezogen auf ihre Dichte bieten sie extreme Steifigkeit und Festigkeit. Ihr komplexes Schädigungsverhalten erschwert jedoch die Abschätzung ihrer Lebensdauer unter Ermüdungsbelastung. Die vorliegende Arbeit untersucht daher die Auswirkung von Schädigung auf die Materialeigenschaften und bildet so die Grundlage für eine noch effizientere Auslegung von FKV-Bauteilen.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Die Kombination von Faser-Kunststoff-Verbunden und Klebtechnik als Fügeverfahren gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Dissertation von Dr.-Ing. Stefan Schmidt variiert zur optimierten Gestaltung der Faserverbundsubstrate für das klebtechnische Fügen systematisch verschiedene konstruktive und materialseitige Parameter der Fügeteilwerkstoffe und untersucht experimentell den Einfluss auf die Verbundfestigkeit und das Versagensverhalten.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen.
Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR).
Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze.
Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Faser-Kunststoff-Verbunde zeichnen sich durch ihr hohes Leichtbaupotential aus, ihr Einsatz erfordert in der Strukturentwicklung allerdings tiefergehendes Verständnis des Konstruktionsmaterials und der Fertigungsprozesse. Speziell in der Interaktion von Struktur und Produktion finden sich verschiedene Herausforderungen. Häufiger Gegenstand von Forschungsarbeiten sind Abhängigkeiten im lokalen Detail, z. B. die Einflüsse von Prozessparametern und Fertigungsfehlern auf Materialeigenschaften. Weitere Interaktion liegt in globalen Zusammenhängen: Gewählte Prozessketten schränken den Gestaltungsraum des Entwicklers ein und bestimmen sowohl mechanische Eigenschaften des Produktes als auch die Kostenstruktur der Produktion. Die Entwicklung mit dem Ziel produktionsgerechter Leichtbaustrukturen muss diese Zusammenhänge in den Fokus nehmen.
Ein Ansatz zur Integrierten Entwicklung wird beschrieben, mit dem Produktionsaspekte frühzeitig einbezogen werden können. Es wird dafür ein Vorgehen definiert, das von Beginn an mit interdisziplinären Konzepten arbeitet, die im Weiteren schrittweise ausgelegt werden und von denen sich jeweils nur die vielversprechendsten für den nächsten Schritt qualifizieren. Die ersten Schritte in diesem Vorgehen sind von fundamentaler Wichtigkeit, weshalb auf ihnen der Fokus der durchgeführten Untersuchungen liegt. Als durchgängiges Anwendungsbeispiel dient die Entwicklung einer versteiften Seitenschale eines Flugzeugrumpfes aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Die Konzepterzeugung verfolgt einen systematischen Ansatz. Ein Morphologischer Kasten ist nach Konzeptmerkmalen aus den Bereichen Struktur und Produktion gegliedert und beinhaltet für diese jeweils unterschiedliche Ausprägungen als alternative Teillösungen. Konsequenz der interdisziplinären Betrachtung in der Konzepterzeugung ist ein erheblich vergrößerter Lösungsraum.
Für die Konzeptbewertung werden Analyse- und Optimierungsmethoden untersucht. Eine Kombination der Auslegung mit Optimalitätskriterien und lokalen Optimierungen ermöglicht einen Kompromiss zwischen Auslegungsgüte und Berechnungsaufwand, der es erlaubt, die vollständige Lösungsmenge in den Attributen Produktionskosten und Strukturmasse zu bewerten. Es wird diesbezüglich die Ausdehnung der Lösungsmenge, die ausgebildete Pareto-Front und der Einfluss der alternativen Teillösungen der einzelnen Konzeptmerkmale betrachtet. Die Ergebnisse werden mit denen einer Rumpfunterschale mit geänderter Lastsituation verglichen. Die Bestimmung der Auslegungsgüte erfolgt durch den Vergleich mit einer höherwertigen aber auch aufwändigen Referenzmethode und definiert den Vertrauensbereichs der durchgeführten Bewertung. Der Vertrauensbereich wird genutzt, um die Lösungsmenge auf diejenigen Konzepte zu reduzieren, die in späteren Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden sollen.
Zur Konzeptauswahl werden unterschiedliche Optimierungsverfahren in der Anwendung auf der bewerteten Lösungsmenge verglichen. Als Optimierungsproblem ist die Kombination von Teillösungen aus dem Morphologischen Kasten aufbereitet. Die betrachteten Optimierungsverfahren sind ein Evolutionärer Algorithmus, das Simulated Annealing und das Branch and Bound. Zu jedem Verfahren wird ein Algorithmus mit Parametern konfiguriert, deren Abstimmung umfangreich untersucht ist. Letztlich wird aufgezeigt, welches Verfahren am leistungsfähigsten ist, zum einen bei der schnellen Suche des bestbewerteten Konzeptes und zum anderen beim Finden der Lösungsmenge, die in nachfolgenden Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden soll.
Die vorgestellten Methoden geben dem Entwickler die Möglichkeit, systematisch, automatisiert und mit geringem Berechnungsaufwand in einer frühen Phase der Entwicklung die aussichtsreichsten Konzepte zu bestimmen, sodass er seine weiteren Arbeiten auf diese konzentrieren kann. Durch den systematischen Ansatz in der Konzepterzeugung sind hierbei auch Konzepte berücksichtigt, die andernfalls ggfs. unentdeckt blieben. Die Konzeptauswahl reduziert den Aufwand für den nächsten Entwicklungsschritt um über eine Größenordnung.
Aktualisiert: 2023-03-23
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Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen.
Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR).
Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze.
Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig nach wenigen Jahren, lange vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren Risse in der Blattschale auf. Die Folge sind aufwendige Reparaturen am installierten und schwer zugänglichen Rotorblatt und der kostenintensive Nutzungsausfall durch den Stillstand der WEA.
Als mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Imperfektionen auf das Ermüdungsverhalten der Rotorblätter wurde an der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von Schalensegmenten im intermediate scale entwickelt und betrieben. Die untersuchten Schalensegmente in Sandwichbauweise sind der Rotorblattschale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik, die eingesetzten Halbzeuge, den Laminataufbau und dem eingesetzten Fertigungsverfahren ähnlich. Als Imperfektionen wurden verschiedenen Variationen von Lagenstößen in die Hautlagen und Schaumstöße mit Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar eingebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes während der Schwingversuche unter realistischen Lastszenarien erfolgt über eine kombinierte in situ Schädigungsüberwachung mittels passiver Thermografie und Felddehnungsmessung.
Mit den durchgeführten Schwingversuchen und der begleitenden Überwachung des Schädigungszustandes ließen sich die Schadensinitiation und die signifikante Herabsetzung der Lebensdauer durch die eingebrachten Imperfektionen zweifelsfrei nachweisen und entsprechende Konstruktionshinweise für die betriebssichere Auslegung von Sandwichstrukturen ableiten.
Aktualisiert: 2022-09-01
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Die Kombination von Faser-Kunststoff-Verbunden und Klebtechnik als Fügeverfahren gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Dissertation von Dr.-Ing. Stefan Schmidt variiert zur optimierten Gestaltung der Faserverbundsubstrate für das klebtechnische Fügen systematisch verschiedene konstruktive und materialseitige Parameter der Fügeteilwerkstoffe und untersucht experimentell den Einfluss auf die Verbundfestigkeit und das Versagensverhalten.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Im Rahmen der Energiewende gewinnt die dezentrale Speicherung elektrischer Energie zunehmend an Bedeutung. Eine Speichertechnologie mit großem Potential sind kinetische Energiespeicher in Außenläuferbauform. Die Außenläuferbauform, bei der die Schwungmasse als Hohlzylinder aus einem Faser-Kunststoff-Verbund ausgeführt ist, verspricht eine hohe Energiedichte und geringe Verluste. Nachteilig sind ihre hohen Anschaffungskosten. Diese resultieren nicht zuletzt auch daraus, dass die Auslegung der Rotoren meist konservativ erfolgt, da über ihre zyklische Festigkeit kaum experimentelle Untersuchungen vorliegen. Um die zyklische Festigkeit zu untersuchen wird in dieser Arbeit ein Schleuderprüfstand entworfen und aufgebaut, mit dem Hohlzylinder-Proben aus Faser-Kunststoff-Verbund zyklisch auf hohe Drehzahlen beschleunigt und wieder abgebremst werden, bis es zu einem Probenversagen kommt. Besondere Herausforderungen resultieren hierbei aus den niederfrequenten und stark drehzahlabhängigen Biegeeigenfrequenzen des Rotors. Um diese zu stabilisieren, erfolgt die Lagerung der Antriebswelle mittels aktiver Magnetlager. Diese berührungslose Lagerung verhindert zudem mechanischen Verschleiß und reduziert die energetischen Verluste. Aufgrund der hohen Drehzahlen wird der Rotor im Vakuum betrieben, weshalb bereits geringe rotorseitige Verluste zu einem Überhitzen des Rotors führen können. Ein wesentlicher Anteil dieser Verluste resultiert aus der Vormagnetisierung der radialen Magnetlager. Daher wird im Rahmen einer robusten Reglerauslegung für die radialen Magnetlager untersucht, wie weit der Vormagnetisierungsstrom bei der hier verwendeten linearen Regelung gesenkt werden kann.
Aktualisiert: 2021-10-21
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Ubersicht
Das Crashverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden (GF Triax-Geflecht, Epoxidharz) in Kombination mit metallischen Strukturen in Form von Rohrproben unterschiedlicher Querschnittsgeometrien ist hinsichtlich spezifischer Kennwerte analysiert. Der Fokus liegt in der Bewertung von gegenseitigen Wechselwirkungen und resultierenden Abhangigkeiten¨ zur Schadenscharakteristik infolge von Interaktionseffekten. Ziel ist die Erhohung¨ der Crashlasten von Faser-Kunststoff-Verbunden.
Die Versuche zum Crashverhalten erfolgen mittels eines entwickelten Prufstands¨ durch Einsatz von piezo-elektrischen sowie optischen Messmitteln fur¨ Beanspruchungsgeschwindigkeiten bis 8,5m/s und Beanspruchungswinkel α ≤ 10◦. Die Versuchsreihen und deren Ergebnisse weisen fur¨ reprasentative¨ Kombinationen erhohte¨ spezifische Energieabsorptionskennwerte (bis zu +20%) bei nahezu performanter Kraft-Weg-Charakteristik und differenzierten Versagensmoden gegenuber¨ reinen Faser-Kunststoff-Verbunden auf.
Nichtlineare numerische Simulationen mit explizitem Losungsansatz¨ sind zur Ana-lyse der experimentell auftretenden Phanomene¨ erfolgt. Die Modellierungsstrategie fur¨ GF Triax-Geflechte basiert auf einem modifizierten Multi-Shell-Layer-Ansatz, der mit extrapolierten inter- sowie intralaminaren Eigenschaften qualitative und quantitative Kongruenz zeigt. Das anisotrope lagenbasierte Materialmodell berucksichtigt¨ Materialdegradation infolge von Schadigungen¨ und verfugt¨ uber¨ spannungsbasierte implementierte Versagenskriterien.
Einachsige Zug-, einachsige Druck-, bi-axiale Zug- und Schubbelastung, Vier-Punkt-Biegung sowie zyklische Versuche sind zur Kalibrierung durchgefuhrt¨. Kumulierter Schadigungsfortschritt¨ ist mittels aufgebrachter Akustiksensoren detektiert.
Zur Abbildung flechtwinkelspezifischer Konfiguration ist ein Interpolationskonzept implementiert. Die Sensitivitaten¨ der numerischen und physikalischen Modellparameter sind ausgewiesen und kalibriert.
Metallische Strukturen sind mit standardisierten isotropen Materialmodellen fur¨ Aluminium EN-AW 6016 im Zustand T6 in Shell-Modellierung umgesetzt.
Die qualitative und quantitative Abbildungsgute¨ des entwickelten Modellierungsansatzes ist gegenuber¨ den Versuchsreihen und deren Phanomenologie¨ gegeben, jedoch konnen¨ vereinzelt lediglich Prognosetrends der charakteristischen Kennwerte unter Berucksichtigung¨ der Interaktionseffekte gezeigt werden.
Aktualisiert: 2021-02-25
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Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind Hochleistungswerkstoffe des Leichtbaus. Bezogen auf ihre Dichte bieten sie extreme Steifigkeit und Festigkeit. Ihr komplexes Schädigungsverhalten erschwert jedoch die Abschätzung ihrer Lebensdauer unter Ermüdungsbelastung. Die vorliegende Arbeit untersucht daher die Auswirkung von Schädigung auf die Materialeigenschaften und bildet so die Grundlage für eine noch effizientere Auslegung von FKV-Bauteilen.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Derzeitige Entwicklungen auf dem Gebiet der Antriebstechnik sind einerseits geprägt durch stetig steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit technischer Erzeugnisse und andererseits durch eine zunehmende Verkürzung der Entwicklungs- und Produktlebenszyklen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten in diesem Zusammenhang aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Flexibilität ein außergewöhnliches Potential für den Einsatz in Antriebswellen. Im Bereich der Lasteinleitungssysteme für Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise werden umfassende Untersuchungen zum Schädigungs- und Versagensverhalten bei Torsionsbelastung vorangetrieben. Eine praxistaugliche Methode zur effizienten Gestaltung und Auslegung derartiger hybrider Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise ist derzeit jedoch nicht verfügbar.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Erarbeitung praxistauglicher und werkstoffgerechter Gestaltungs- und Auslegungshinweise für hybride Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise am Beispiel der Pinverbindung erarbeitet.
Dafür werden an der Pinverbindung die auftretenden Schädigungs- und Versagensphänomene bei der Einleitung von mechanischen Lasten identifiziert und modellhaft-experimentell untersucht. Basierend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen werden im Ingenieuralltag einsetzbare Gestaltungs- und Auslegungshinweise abgeleitet.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Simulation sukzessiver Schädigungsvorgänge in faserverstärkten Kunststoffen. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen der Spannungs- und Verformungsanalyse erläutert und Modelle zur Beschreibung des nichtlinearen Materialverhaltens, zur Durchführung von Versagensanalysen und der Steifigkeitsdegradation faserverstärkter Kunststoffe vorgestellt. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Modelle werden ausführlich diskutiert. Der Fokus liegt hierbei auf materiellen Nichtlinearitäten, die insbesondere unter Druck- und Schubbelastung bereits vor Erreichen der eigentlichen Festigkeitsgrenze auftreten können. Hierzu wird ein Modell für ebene Spannungszustände erweitert, so dass auch dreidimensionale Spannungszustände behandelt werden können. Darüber hinaus werden die sogenannte Verzerrungsinteraktion und der Einfluss hohen hydrostatischen Drucks auf die Steifigkeits- und Festigkeitskennwerte berücksichtigt. Im Anschluss daran wird die numerische Umsetzung dieser Modelle in Form der Abaqus-Benutzerunterprogramme UMAT und VUMAT beschrieben. Schließlich wird durch einen Vergleich von experimentell gewonnenen Daten mit den Ergebnissen von FE-Simulationen von Torsions- und Impactversuchen an CFK-Rohrproben, die Leistungsfähigkeit der implementierten Modelle demonstriert. Es wird gezeigt, dass die Modelle auch das Versagensverhalten komplexer Strukturen, wie z.B. Rohrproben aus einem CFK-Kautschuck-Verbund unter Impactbelastung, gut abbilden. Hierbei gelingt es die experimentell ermittelte Verbesserung des Impactverhaltens des CFK-Kautschuck-Verbundes, im Vergleich zu einem herkömmlichen CFK-Verbund, mit numerischen Simulationen nachzubilden.
Aktualisiert: 2022-12-31
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Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines messtechnischen Verfahrens, um die prozessbedingten Variationen der Faserarchitektur im Entwicklungsprozess von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund berücksichtigen zu können. Hierfür erfolgen die Analyse von Zusammenhängen zwischen Faserarchitektur-Variationen und den mechanischen Werkstoffeigenschaften, sowie der Aufbau eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse.
Dafür werden am Beispiel der Flechttechnologie mittels Radialflechtmaschine und der einteiligen Stempelumformung von Gelegen real auftretende Faserarchitekturen analysiert und Korrelationsuntersuchungen mit den mechanischen Eigenschaften durchgeführt. Die Versuchsreihen beinhalten Geflechte mit niedrigem Bedeckungsgrad, einer hohen Faserarchitektur-Streuung und variabler Ondulation, sowie Gelege mit künstlich eingebrachten Gaps.
Durch Analyse der Faserarchitektur einzelner Geflechtlagen kann gezeigt werden, dass unter Zuhilfenahme prüfkörperindividueller Faserorientierungs-Informationen eine signifikante Verbesserung der Prognosegüte der Laminateigenschaften erreicht werden kann. Die Untersuchungen von offenen Geflechten und Gelegen mit Gaps weisen einen starken Zusammenhang von Festigkeiten mit (lokalen) Lücken in der Faserarchitektur nach, da diese Welligkeiten der angrenzenden Faserlagen bewirken. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass primär Zugfestigkeiten von den fertigungsspezifischen Faserarchitekturvariationen beeinflusst werden.
Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines optischen Messsystems zur 3D-Preformanalyse ein, welches mittels grauwertbasierter Bildverarbeitung die vollflächige Texturanalyse komplexer, dreidimensionaler Oberflächen ermöglicht. Das robotisch geführte Messsystem nutzt dabei einen monochromatischen Kamerasensor sowie eine neu entwickelte, diffuse Beleuchtung zur reflexionsarmen Aufnahme von Kohlenstofffaser-Halbzeugen. Zuletzt werden Anwendungsbeispiele für das optische Messsystem beschrieben. Dazu gehören verschiedene Routen zur Implementierung der Faserarchitekturinformation in den Auslegungsprozess, die Analyse drapierter Preforms zur Validierung von Prozesssimulationen und die vollflächige Faserorientierungsmessung einer geflochtenen C-Spant-Geometrie zur Prozessoptimierung.
Aktualisiert: 2020-12-26
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