Aktualisiert: 2023-04-04
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CFK-Bearbeitung
Schlüsselwort: FKV
CFK-Bearbeitung
Simulation des sukzessiven Bruchgeschehens in Faserverbundlaminaten unter Berücksichtigung materieller Nichtlinearitäten
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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Zur Gestaltung von Maschinenkomponenten aus Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugen
Gegenstand dieser Dissertationsschrift ist der Einsatz von Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden (CFK) in Maschinenkomponenten. Gegenüber klassischen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium bietet CFK eine höhere spezifische Steifigkeit, eine höhere Werkstoffdämpfung und zudem den Vorteil einer einstellbaren thermischen Dehnung. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten mit integraler Herstellung der Komponenten wird dazu eine Konstruktionsweise verfolgt, die sich einfacher, bereits ausgehärteter CFK-Halbzeuge wie Stäbe, Platten und Rohre bedient. Diese sind vergleichsweise kostengünstig am Markt verfügbar und lassen sich in einer modularen Differenzialbauweise ohne Investitionsaufwand für zusätzliche Formwerkzeuge zu komplexen Strukturen fügen.
Zunächst erfolgt die Bewertung maschinentypischer Umgebungseinflüsse wie Spänebeschuss und Kühlschmierstoffe auf den Werkstoff CFK und darauf die Eingrenzung der Einsatzmöglichkeiten. Anschließend werden grundsätzliche Vorteile des CFK-Leichtbaus anhand konkreter Anwendungsbeispiele diskutiert.
Für die zugrunde gelegte modulare Bauweise werden Vorgehensweisen zur Bauteilgestaltung erarbeitet. Dazu werden entsprechende Krafteinleitungen und Verbindungstechniken entwickelt und im Versuch geprüft. Eine Anwendung dieser Bauweise erfolgt schließlich an drei für Bearbeitungsmaschinen typischen Komponenten: einer Hubtür, einem Schwenkarm und einem Fräsmaschinenportal. Dabei werden verschiedene Konstruktionsansätze verfolgt und deren Potenzial zur Ausschöpfung der CFK-spezifischen Vorteile bewertet. Im Anschluss erfolgen die prototypische Herstellung und eine umfangreiche, messtechnische Untersuchung. Zuletzt wird anhand der ermittelten Bauteilkosten die Wirtschaftlichkeit dieser neuartigen Komponenten abgeschätzt.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Textiltechnische Halbzeug- und Prozessauslegung für die Herstellung komplexer Multimaterialverbundbauteile aus Metallblech und hybridgarnbasiertem textilem Flächengebilde
In der Dissertationsschrift wird die fertigungstechnische Umsetzung von Multimaterialverbundbauteilen aus Metallblech und endlosfaserverstärktem Thermoplaste betrachtet.
Aktualisiert: 2021-12-01
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Zur Gestaltung von Gleitlinearführungen und Gewindetrieben aus Faser-Kunststoff-Verbunden
In dieser Arbeit wird das Potenzial von Gleitlinearführungen, Trapez- und Kugelgewindetrieben aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) aufgezeigt.
Der Einstieg erfolgt mit dem Stand der Technik zu Führungen im Werkzeugmaschinenbau und einer Patentrecherche zu FKV-Komponenten. Im Anschluss wird auf die Tribologie im Allgemeinen sowie auf die Besonderheiten der Tribologie von FKV eingegangen und diese ausführlich diskutiert. Durch die umfangreiche Literaturrecherche wurde eine detaillierte Zusammenfassung verschiedenster Reib- und Verschleißwerte von FKV samt Angabe des tribologischen Systems zusammengetragen und für den künftigen Anwender im Anhang beigefügt.
Um die benötigten tribologischen Kennwerte für die gewählten Führungskomponenten zu ermitteln, wurde ein Reib-Verschleiß-Prüfstand konstruiert. Mit diesem wurden umfangreiche Versuchsreihen zur Ermittlung von Reib- und Verschleißwerten von FKV unter flächiger und punktförmiger Belastung durchgeführt.
Aufbauend auf den gewonnenen Ergebnissen wurde im Anschluss eine T-Profil Gleitlinearführung, ein Trapez- sowie ein Kugelgewindetrieb aus FKV analytisch, numerisch und experimentell untersucht. Im Vergleich zu den gegenwärtigen Standardlösungen aus Stahl konnten erhebliche leichtbauspezifische Vorteile erzielt werden.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Naturanaloge Optimierungsverfahren zur Auslegung von Faserverbundstrukturen
Die vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Beitrag zur Prozessgestaltung und -optimierung zum rationellen Widerstandsschweißen von hochbelasteten Faser-Thermoplast-Strukturen
Diese Arbeit untersucht und optimiert das Widerstandsschweißen - ein äußerst universelles Verfahren, welches sich hervorragend für anspruchsvolle und hochbelastete Faser-Kunststoff-Strukturen eignet. Das Ziel ist es, die Verfahrensindustrialisierung für größere Produktionsumfänge voranzutreiben. Zur effizienten Prozessqualifizierung wird dem Anwender eine Auslegungsmethode bereitgestellt. Mithilfe dieser Methode wurde das Fügeverfahren befähigt und wurden detaillierte Empfehlungen abgeleitet, sodass zuverlässig hochfeste Schweißverbindungen hergestellt werden können. Darüber hinaus werden betriebsrelevante Fragestellungen wie bspw. der Temperatureinfluss auf die Fügenahtfestigkeit sowie die Reparierbarkeit geschweißter Verbindungen beleuchtet.
Nach der Prozessbefähigung an Flachprobekörpern wurden die erlangten Kenntnisse auf die Schweißung eines generischen Bauteils transferiert. Erläutert werden praktische Herausforderungen, welche die Schweißung realer dreidimensionaler Bauteile entscheidend erschweren (Formtoleranzen, Wärmediffusion etc.). Die formulierten Leitsätze unterstützen den Konstrukteur bei einer fügegerechten Bauteil und Werkzeugkonstruktion, um höchste Fügequalitäten zu realisieren.
Zum Einsatz kamen faserverstärkte Polyamide, da technische Kunststoffe aufgrund ihres ausgewogenen Kosten-Nutzen-Verhältnisses besonders interessant für Großserienanwendungen sind. Um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens entscheidend zu verbessern, wurden abschließend neuartige, innovative Schweißelemente entwickelt: gedruckte Heizelemente. Nach einer systematischen Analyse und Optimierung konnten Fügenahtfestigkeiten auf Referenzniveau erreicht werden. Das Ergebnis einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bestätigt das hohe Einsparungspotenzial der gedruckten Heizelemente.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Ein Beitrag zur Abschätzung der Lebensdauer von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einer Erweiterung der nicht-linearen, klassischen Laminattheorie
Faser-Kunststoff-Verbunde bieten für hochbelastete Strukturbauteile mit hohen Leichtbauanforderungen vor allem unter schwingenden Beanspruchungen eine ausgezeichnete Alternative zu anderen Werkstoffen. Eine geeignete Laminatauslegung für schwingende Belastungen kann hier einen weiteren Leichtbauvorteil ermöglichen.
Zur Erweiterung der nicht-linearen, klassischen Laminattheorie gilt es zunächst den Schädigungsablauf vor dem Totalversagen aufgrund der schwingenden Belastungen zu beschreiben und die zugehörigen Materialkennwerte zu ermitteln. Experimentelle Untersuchungen wurden an glasfaserverstärkten Rohr- und Flachprobekörpern unter zug- und druckschwellenden Belastungen sowie für Torsion durchgeführt. Die für statische Berechnungen bekannten Puck'schen Bruchkriterien werden um eine Definition für schwingende Beanspruchungen erweitert.
Zur Herstellung der Flachprobekörper aus Rovings wird ein neues Verfahren mit einer universellen Faserhaspeleinheit vorgestellt. Die resultierenden Probekörper bestehen ausschließlich aus unidirektionalen Schichten mit beliebigen Faserwinkeln und Schichtreihenfolgen. Sie haben eine sehr gute Qualität und sind transparent um Schädigungen während der experimentellen Untersuchungen zu detektieren.
Einer detaillierten Beschreibung von Randdelaminationen schließt sich ein Konzept zur Ein-schätzung der Delaminationsgefahr für Randdelaminationen an. Zur Vermeidung von Randdelaminationen wird das thermisch, mechanische Verfahren vorgestellt und seine Wirksamkeit in experimentellen Untersuchungen gezeigt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Entwicklung einer virtuellen Simulationskette zur Auslegung und Optimierung von gewickelten Faser-Kunststoff-Verbund-Druckbehältern unter Berücksichtigung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens
Gewickelte FKV-Druckbehälter erzielen gegenüber Metallbehältern deutliche Vorteile hinsichtlich Masse, Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit. Aufgrund des komplexen Fertigungsverfahrens und der stark nichtlinearen Eigenschaften der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) ist die Berechnung der FKV-Struktur im Behälter bisher nur unzureichend genau möglich.
Druckbehälter bis 200 bar Betriebsdruck werden deshalb in der Regel experimentell ausgelegt. Sollen Betriebsdrücke bis 700 bar realisiert werden, wird eine rein experimentelle Auslegung und Optimierung des Laminataufbaus sehr kostenintensiv.
Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, verbesserte Verfahren zur Berechnung gewickelter FKV-Druckbehälter zu entwickeln. Im ersten Schritt wird das nichtlineare Werkstoffverhalten der Faser-Kunststoff-Verbunde näher betrachtet. Das Verhalten der UD-Schicht nach Zwischenfaserbruchgrenze muss in der analytischen und numerischen Berechnung der Behälter berücksichtigt werden. Hierzu wird das dreidimensionale Versagenskriterium nach Puck effizient implementiert, um es auch in nichtlinearen Rechnungen und Optimierungen einsetzen zu können.
Durch die nassgewickelten Schichten im Fertigungsprozess ergeben sich sehr unterschiedliche Faservolumenanteile im Behälter. Es wird ein Verfahren erarbeitet, mit deren Hilfe die elastischen Kennwerte über repräsentative Volumenelemente automatisiert umgerechnet werden.
Um die Eigenschaften des Laminats in Berechnungs-Modellen exakt abbilden zu können, wird eine Wickelsimulation entwickelt. Damit ist es erstmals möglich die abgelegte Fasermasse und alle Faserorientierungen exakt zu bestimmen und für die folgenden Berechnungen nutzbar zu machen. Die so gewonnenen Daten werden abschließend zur automatisierten Erstellung vom FEM-Modellen genutzt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Automatisiertes Preforming von Kohlefaserhalbzeugen mit aktiven Materialführungssystemen zur Herstellung komplexer Faserverbundstrukturen
Grundlagencharakterisierungen, Verfahrensentwicklung und Prozessoptimierung für das automatisierte Preforming komplexer Faserverbundstrukturen bei hohem Qualitätsanspruch.
Aktualisiert: 2021-12-01
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Große, hochbelastete Biegeträger aus Faser-Kunststoff-Verbunden
Biegeträger gehören zu den in der Technik am häufigsten eingesetzten Strukturen. Praktisch umgesetzt sind bisher aber hauptsächlich metallische Konstruktionen. Faser-Kunststoff-Verbunde, insbesondere mit Kohlenstofffasern, sind mit ihrer hohen Leichtbaugüte und ihrer hervorragenden Ermüdungsfestigkeit auch für Biegeträger eine vielversprechende Werkstoffalternative. In dieser Arbeit konnten wichtige Grundlagenfragen geklärt werden: Es wurden geeignete Bauweisen analysiert, bewertet und mit einer neuen modularen Biegeträgerbauweise eine zukunftsträchtiges Konzept entwickelt. Eine Laminatoptimierung für Biegeträger und eine darauf aufbauende analytische Trägeroptimierung wurde durchgeführt. Diese FKV-Biegeträger-Optimierung und die dargestellten Ergebnisse sind für alle Querkraft-Biegemoment-Kombinationen und für viele konkrete Lastfälle gültig. Balkenauflager und Balkenverbindungen, klassische Krafteinleitungsprobleme, wurden untersucht, eine Reihe von Konzepten entwickelt und die dringlichsten Fragestellungen bearbeitet. Auf Grundlage aller Berechnungsergebnisse wurde ein großformatiger Demonstrator-Träger in der neu entwickelten modularen Bauweise konstruiert, dimensioniert, hergestellt und einem Bruchversuch unterzogen. Hierbei konnte die hohe Belastbarkeit und die hohe Leichtbaugüte dieses Trägers unter Beweis gestellt werden. Ein Vergleich des CFK-Demonstrator-Trägers mit einem handelsüblichen Stahlträger zeigt: Der CFK-Träger wiegt nur ein Drittel gegenüber dem Stahlträger. Die ertragbare Last liegt knapp über der plastisch ertragbaren Last des Stahlträgers. Der Leichtbaukennwert Kraft pro Masse ist, um den Faktor 3,65 bis 7,00 höher. Daraus folgt, dass die modulare Bauweise hervorragend für hochbelastbare FKV-Biegeträger geeignet ist.
Aktualisiert: 2019-12-12
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