Modellierung und Simulation eines Verbunds von Sandwichplatten zur Entwicklung einer mechanischen Verbindungstechnik

Torsakul, Sirichai; Feldhusen, Jörg

doi:1875

Modellierung und Simulation eines Verbunds von Sandwichplatten zur Entwicklung einer mechanischen Verbindungstechnik = Modelling and Simulation of Sandwich-Composites with Regards to the Development of a Mechanical Joining Technology

Torsakul, Sirichai (Author)

2007

VerantwortlichkeitsangabeSirichai Torsakul

Impressum[Aachen] : Lehrstuhl u. Inst. für Allg. Konstruktionstechnik des Maschinenbaus 2007

UmfangIX, 122 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriftenreihe Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Feldhusen, Jörg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-03-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18754
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61754/files/Torsakul_Sirichai.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus (411610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sandwich-Verbindungen (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Werkstoffprüfung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Sandwichmaterial (frei) ; Verbindungstechnik (frei) ; Finite-Element-Methode (frei) ; Simulation (frei) ; ANSYS (frei) ; ABAQUS (frei) ; ALGOR (frei) ; Vier-Punkt-Biegung (frei) ; Sandwich material (frei) ; Joining Technology (frei) ; Finite element method (frei) ; Modelling (frei) ; Four point bending (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Verwendung von Sandwichmaterialien kann bei vielen Anwendungen durch Gewichtsminderung ökonomische Vorteile bedeuten. Im Maschinenbau ist die Verbreitung trotz großer Nachfrage durch ungelöste Probleme bei der Verbindungstechnik und Unsicherheiten bei der rechnerischen Auslegung solcher Strukturen beeinträchtigt. Hier besteht der Bedarf nach einer Unterstützung des Konstrukteurs bei der Gestaltung von Sandwichstrukturen. Die Finite-Element-Methode (FEM) zur Simulation des mechanischen Verhaltens komplexer Strukturen ist heute auch am CAD-Arbeitsplatz weitgehend etabliert, die Besonderheiten von Verbundmaterialien erfordern aber angepasste Modellierungs- und Analysestrategien. Die vorliegende Arbeit soll dem berechnenden Konstrukteur Hinweise zur Wahl eines geeigneten FEM-Systems, zur sachgemäßen Modellierung des Lastfalles und zur Auswertung der Berechnungsergebnisse geben, wozu entsprechende Simulationen mit verschiedenen Systemen durchgeführt und beschrieben wurden, deren Ergebnisse durch Experimente validiert sind. Die Betrachtungen im Rahmen dieser Arbeit beschränken sich auf ein Plattenmaterial mit Stahl-Deckschichten und einem geschäumten PUR-Kern, das im Maschinenbau sehr weit verbreitet ist. Der simulierte Lastfall ist die Vier-Punkt-Biegung in Anlehnung an DIN 53293, die als Prüfverfahren etabliert ist und einen praxisrelevanten Beanspruchungszustand erzeugt. Nach einer Darstellung der möglichen Ansätze zur FE-Modellierung des Lastfalls wurden im Simulationsteil dieser Arbeit die entsprechenden Arbeitsschritte und Ergebnisse für eine 3D-CAD/FEM-Integration mit den FEM-Systemen ANSYS, ABAQUS und ALGOR durchgeführt und gegenübergestellt. Die Sand-wichplatte wurde dazu entweder vollständig durch Volumenelemente oder durch Volumen- und Platten- bzw. Schaleelemente abgebildet. Im experimentellen Teil der Arbeit wurde der simulierte Lastfall auf der servohydraulischen Prüfmaschine als Versuchsreihe experimentell wiederholt, wobei das linearelastische Verhalten und verschiedene Versagensarten untersucht wurden. Die mit Hilfe der FEM gewonnenen Ergebnisse wurden mit Ergebnissen von Handberechnungen der analytischen Sandwichtheorie und den experimentellen Ergebnissen verglichen. Dabei zeigt sich, dass vor allem bei den berechneten Spannungswerten eine sehr gute Übereinstimmung erreicht wird. In Bezug auf die Übereinstimmung der Berechnungsergebnisse ist somit ANSYS am besten geeignet; die besten Eigenschaften in Bezug auf die Bedienbarkeit hat jedoch ALGOR. In jedem Fall wurde nachgewiesen, dass die beschriebenen Modellierungsstrategien sowohl mit praktikablem Aufwand durchführbar sind und brauchbare Ergebnisse für das Verformungsverhalten von Sandwichstrukturen liefern. Auch für die Betrachtung von verschiedenen Versagensarten der Sandwichplatte stellt sich die linearelastische FEM-Simulation als geeignetes Werkzeug heraus. Im Experiment wurde das Deckschichtknittern an den Orten der Krafteinleitung untersucht und festgestellt, dass mit den Ergebnissen der FEM-Berechnung das Auftreten dieses speziellen, teilweise instabilen Phänomens vorhergesagt und erklärt werden kann. Zusätzlich konnte durch eine Modifikation des Experiments ein Scherversagen des Kerns untersucht werden, das ohne Einschränkungen durch die FEM-Simulation abgebildet wird.

The use of sandwich materials can lead to economical advantages in many applications by means of weight reduction. In spite of its large demand, its distribution in the field of mechanical engineering is constrained due to unsolved problems in the connection technology and uncertainties in the mechanics of such structures. Hence, in this filed, there exists a demand for the support of design engineers in designing of sandwich structures. Today, the Finite-element-method (FEM) for the simulation of the mechanical behaviours of complex structures is well established at the CAD-workstation; however the particularities of composite materials require advanced modelling- and analysis strategies. This work shall give the design engineer hints, with which a suitable FEM-system can be chosen for appropriate modelling of the loading cases and for evaluating the calculated results. To achieve this, simulations were carried out with different FEM-systems, whose results are validated by experiments. In the framework of this thesis, only plate materials with steel face and a PUR foam core that is very common in the mechanical engineering applications are considered. The simulated loading case is the four-point-bending-test according to DIN 53293, which is established as a test procedure and creates a practice relevant stress condition. After describing the possible approaches for FE-Modelling of the loading case, results of the simulation of a 3D-CAD/FEM-Integration with the FEM-Systems ANSYS, ABAQUS and ALGOR and their corresponding working steps are presented. Here the sandwich plate was created either completely through volume elements or through volume elements and shell/plate elements. In the experimental part of the work, the simulated loading case was experimentally repeated on the servo-hydraulic test machine as test series, whereby the linear elastic behaviour and the different failure of sandwich plate were investigated. The results obtained with aid of the FEM were compared to the analytical and experimental results. It shows that the computed stress values have a very good agreement with the analytical results and experiments. In terms of accuracy of the calculated results, ANSYS seems to be the most suitable one; however ALGOR has the best characteristics with regard to the usability. In each case, it has been proved that the described modelling strategies can be achieved with a reasonable effort and it delivers useful results to understand the deformation behaviour of sandwich structures. Also for the observation of different failure modes of the sandwich plate, the linear elastic FEM-Simulation seems to be a suitable tool. The face wrinkling at the places of the load transmission is investigated with the help of experiments. It is determined that, with the results of the FEM-calculation, the appearance of this special, partially unstable phenomenon can be predicted and explained. Additionally a core shear failure could also be investigated by a modification of this experiment, which could also be predicted with the help of FEM-simulation.

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