Schlanke oder dünnwandige Strukturelemente neigen unter Druckbelastung dazu, sich durch seitliches Ausweichen der Aufnahme hoher Lasten zu entziehen. Dieses Ausweichen tritt oft plötzlich und ohne Ankündigung auf und begrenzt das Tragvermögen. Der Vorgang wird bei Stäben als Knicken, bei Platten und Schalen als Beulen bezeichnet. Knicken und Beulen werden gemeinsam unter dem Begriff Stabilitätsproblem zusammengefasst. Die Diskussion des Beulverhaltens galt bisher überwiegend der idealen Struktur. In der Realität weisen die Strukturen Abweichungen von der idealen Gestalt auf, die Lasten werden nicht genau den Annahmen entsprechend eingeleitet oder die Steifigkeiten zeigen örtliche Abweichungen vom Sollwert. All diese Unregelmäßigkeiten werden unter dem Begriff Imperfektionen zusammengefasst. Sie bewirken, dass die maximale Belastbarkeit verringert wird. Der Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Imperfektionen liegt auf den geometrischen Imperfektionen. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass selbst sehr kleine Abweichungen vom idealisierten Zustand einen großen Einfluss haben können. Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist die Anzahl der Variationsmöglichkeiten einer Kreiszylinderschale durch die zusätzlichen Parameter Anzahl, Dicke und Faserorientierungen der Einzelschichten im Vergleich zu isotropen Werkstoffen um ein Vielfaches höher. Die Anzahl der durchgeführten Versuche aber ist um ein Vielfaches niedriger. Da im Bereich der Luft- und Raumfahrt Faserverbundwerkstoffen jedoch eine immer größere Bedeutung zukommt, werden Untersuchungen mit dieser Materie zunehmend wichtiger. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Beulverhalten untersuchen zu können, muss das Modell der Finite Elemente Methode durch Vergleiche mit Versuchsergebnissen verifiziert werden. Für die Untersuchungen mit der Methode der Finiten Elemente wird das kommerzielle Programmpaket ABAQUS verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten der unversteiften Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff abgebildet und beschrieben. Dabei wurden sowohl die Probleme bei der Auswahl der Parameter der Berechnung als auch die Probleme bei der Verwendung kommerzieller FE-Tools als Black-Box aufgezeigt. Da die mögliche Anzahl der zu wählenden Parameter mannigfaltig ist, wurde zu jeder Teilaufgabe nur eine sehr eingeschränkte, möglichst repräsentative Auswahl getroffen, um den Umfang dieser Arbeit zu begrenzen. [...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Allgemeine zum Faserverbundwerkstoff
2 Stabilitätsproblem
2.1 Gleichgewichtslage
2.2 Verzweigungsproblem
2.3 Durchschlagsproblem
2.4 Klassifizierung
3 Laminattheorie
3.1 Makromechanisches Verhalten einer UD-Schichte
3.2 Klassische Laminattheorie
4 Versuchsdurchführung
4.1 Testdaten und Versuchsdurchführung
4.2 Versuchdurchführung
5 Anwendung der Finite Elemente Methode
5.1 Untersuchungen des Vorbeulzustandes
5.1.1 Einfluß der Laminatdicke (nominell, gemessen)
5.1.2 Einfluss der Materialparameter(nominell, gemessen)
5.1.3 Vergleich mit Versuchsergebnissen
5.1.4 Auswertung
5.2 Untersuchung der Beullast
5.2.1 Lineare Beullast der perfekten Schale
5.2.2 Nichtlineare Beullast des perfekten Systems
5.2.3 Beullast des imperfekten Systems
5.3 Untersuchungen des Übergangs vom Vor- in den Nachbeulbereich
5.3.1 statische Berechnungsverfahren
5.3.2 Dynamische Berechnungsverfahren
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Stabilitätsverhalten von unversteiften Kreiszylinderschalen aus Faserverbundwerkstoffen unter axialer Druckbelastung. Ziel ist es, durch numerische Simulationen mittels Finite-Elemente-Methoden (ABAQUS) und deren Verifizierung durch experimentelle Daten das Beulverhalten sowie den Übergang vom Vor- in den Nachbeulbereich unter Berücksichtigung verschiedener Imperfektionen zu analysieren.
- Stabilität von Faserverbundwerkstoffen
- Einfluss geometrischer Imperfektionen auf die Beullast
- Vergleich von numerischen Berechnungen mit Versuchsdaten
- Simulation des Nachbeulverhaltens (statisch vs. dynamisch)
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemstellung
Schlanke oder dünnwandige Strukturelemente neigen unter Druckbelastung dazu, sich durch seitliches Ausweichen der Aufnahme hoher Lasten zu entziehen. Dieses Ausweichen tritt oft plötzlich und ohne Ankündigung auf und begrenzt das Tragvermögen. Der Vorgang wird bei Stäben als Knicken, bei Platten und Schalen als Beulen bezeichnet. Knicken und Beulen werden gemeinsam unter dem Begriff Stabilitätsproblem zusammengefasst. Die Diskussion des Beulverhaltens galt bisher überwiegend der idealen Struktur. In der Realität weisen die Strukturen Abweichungen von der idealen Gestalt auf, die Lasten werden nicht genau den Annahmen entsprechend eingeleitet oder die Steifigkeiten zeigen örtliche Abweichungen vom Sollwert. All diese Unregelmäßigkeiten werden unter dem Begriff Imperfektionen zusammengefasst. Sie bewirken, dass die maximale Belastbarkeit verringert wird.
Der Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Imperfektionen liegt auf den geometrischen Imperfektionen. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass selbst sehr kleine Abweichungen vom idealisierten Zustand einen großen Einfluss haben können.
Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist die Anzahl der Variationsmöglichkeiten einer Kreiszylinderschale durch die zusätzlichen Parameter Anzahl, Dicke und Faserorientierungen der Einzelschichten im Vergleich zu isotropen Werkstoffen um ein Vielfaches höher. Die Anzahl der durchgeführten Versuche aber ist um ein Vielfaches niedriger. Da im Bereich der Luft- und Raumfahrt Faserverbundwerkstoffen jedoch eine immer größere Bedeutung zukommt, werden Untersuchungen mit dieser Materie zunehmend wichtiger.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Problemstellung der Stabilitätsuntersuchung bei dünnwandigen Faserverbund-Strukturen und erläutert die Bedeutung von Imperfektionen.
2 Stabilitätsproblem: Führt theoretisch in die Mechanismen der Instabilität bei Stäben und Schalen ein und differenziert zwischen verschiedenen Gleichgewichtszuständen.
3 Laminattheorie: Behandelt die makromechanischen Grundlagen von Faserverbundlaminaten als Basis für die Modellierung des mechanischen Verhaltens.
4 Versuchsdurchführung: Dokumentiert die experimentellen Grundlagen, Materialkennwerte und die Durchführung der Versuche an den verschiedenen Zylinderschalen.
5 Anwendung der Finite Elemente Methode: Analysiert detailliert den Vorbeulzustand, die Beullast und den Nachbeulbereich mittels numerischer Simulationen.
6 Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit sowie die Bewertung der verwendeten numerischen und analytischen Verfahren zusammen.
Schlüsselwörter
Faserverbundwerkstoff, Kreiszylinderschale, Stabilitätsproblem, Beulen, Imperfektionen, Finite-Elemente-Methode, ABAQUS, Laminattheorie, Beullast, Nachbeulbereich, Newton-Raphson-Verfahren, Stabilitätsanalyse, Dämpfung, dynamische Berechnungsverfahren, numerische Simulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Stabilitätsverhaltens von dünnwandigen, unversteiften Kreiszylinderschalen aus Faserverbundwerkstoffen unter axialer Druckbelastung.
Welche sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Themen sind die Beulproblematik, die Modellierung von Imperfektionen, die Anwendung der Finite-Elemente-Methode sowie die experimentelle Validierung der numerischen Ergebnisse.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Identifikation und Analyse des Beulverhaltens sowie des Übergangs in den Nachbeulbereich, um das Modell der Finite-Elemente-Methode durch Versuchsvergleiche zu verifizieren.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Verwendet werden neben der klassischen Laminattheorie vor allem numerische FE-Berechnungen (ABAQUS) unter Einsatz des Newton-Raphson-Verfahrens sowie diverse dynamische Berechnungsverfahren.
Was deckt der Hauptteil der Arbeit ab?
Der Hauptteil gliedert sich in die Analyse des Vorbeulzustands, die Bestimmung der Beullast (perfekt/imperfekt) sowie die Untersuchung des Nachbeulverhaltens mittels statischer und dynamischer Berechnungsansätze.
Was charakterisiert die Arbeit inhaltlich?
Die Arbeit charakterisiert sich durch die Kombination aus experimentellen Testdaten und einer tiefgehenden numerischen Validierung, wobei der Fokus auf dem Einfluss von Material- und Geometrieimperfektionen liegt.
Welche Rolle spielt die Dämpfung bei den dynamischen Berechnungen?
Die Dämpfung, insbesondere die Rayleigh-Dämpfung und numerische Dämpfung, ist entscheidend, um in der Simulation hochfrequente Schwingungen zu reduzieren und realistische Nachbeulzustände zu erhalten.
Warum ist das Newton-Raphson-Verfahren für den Nachbeulbereich nur bedingt geeignet?
Wie die Arbeit aufzeigt, ist das statische Newton-Raphson-Verfahren zur Simulation des Nachbeulbereichs bei perfekten Schalen ungeeignet, da es den "Untergang" der Last-Verschiebungs-Kurve nicht korrekt abbilden kann.
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- Shiping Chen (Author), 2002, Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff - Versuche und FE-Berechnungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/29304
