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; Feldhusen, Jörg (Thesis advisor)

Aachen] : Lehrstuhl u. Inst. für Allg. Konstruktionstechnik des Maschinenbaus (2007)
Doktorarbeit

In: Schriftenreihe Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik
Seite(n)/Artikel-Nr.: IX, 122 S. : Ill., graph. Darst.

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

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.

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