Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007

In der vorliegenden Arbeit werden Holzwerkstoffe im statischen Biegeversuch und im Schlagbiegeversuch vergleichend geprüft. Ausgewählte Holzwerkstoffe werden thermisch geschädigt, zudem wird eine relevante Kerbgeometrie geprüft. Ziel der Untersuchungen ist die Eignung verschiedenartiger Werkstoffe für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen mit Schlagbelastungen zu prüfen. Hierzu werden zunächst die Grundlagen der instrumentierten Schlagprüfung und der Holzwerkstoffe erarbeitet. Der Stand der Technik wird dargelegt und bereits durchgeführte Studien werden analysiert. Darauf aufbauend wird eine eigene Prüfeinrichtung zur zeitlich hoch aufgelösten Kraft-Beschleunigungs-Messung beim Schlagversuch entwickelt. Diese wird anhand verschiedener Methoden auf ihre Eignung und die Messwerte auf Plausibilität geprüft. Darüber hinaus wird ein statistisches Verfahren zur Überprüfung auf ausreichende Stichprobengröße entwickelt und auf die durchgeführten Messungen angewendet. Anhand der unter statischer und schlagartiger Biegebeanspruchung ermittelten charakteristischen Größen, wird ein Klassenmodell zum Werkstoffvergleich und zur Werkstoffauswahl vorgeschlagen. Dieses umfasst integral die mechanische Leistungsfähigkeit der geprüften Holzwerkstoffe und ist für weitere Holzwerkstoffe anwendbar. Abschließend wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, ein Konzept für die Bauteilprüfung unter Schlagbelastung für weiterführende Untersuchungen vorgeschlagen. / In the present work wood-based materials are compared under static bending load and impact bending load. Several thermal stress conditions are applied to selected materials, furthermore one relevant notch geometry is tested. The objective of these tests is to investigate the suitability of distinct wood materials for security relevant applications with the occurrence of impact loads. For this purpose the basics of instrumented impact testing and wood-based materials are acquired. The state of the technology and a comprehensive analysis of original studies are subsequently presented. On this basis an own impact pendulum was developed to allow force-acceleration measurement with high sample rates. The apparatus is validated by several methods and the achieved signals are tested for plausibility. A general approach of testing for adequate sample size is implemented and applied to the tested samples. Based on the characteristic values of the static bending and impact bending tests a classification model for material selection and comparison is proposed. The classification model is an integral approach for mechanical performance assessment of wood-based materials. In conclusion a method for impact testing of components (in future studies) is introduced.

Synthetische Hochleistungswerkstoffe, in Faserform, haben sich bisher in Gebieten wie dem Freizeitsport (Klettersport, Segelsport), Seetechnik (Ankerleinen, Zugleinen) und Schutzausrüstung (Ballistik, Arbeitsschutzbekleidung) bewehrt. Die Einführung von Hochleistungsfasern in weiteren Anwendungsfeldern wird durch Schwachstellen im Materialverhalten der Fasern selbst verhindert. So gilt unter Anwendern und Entwicklern das Problemfeld des inneren Verschleißes der textilen Halbzeuge bei Belastung auf Zug und Biegung, durch gegenseitiges Schädigen der Garne, als Haupthindernis zur weiteren Verbreitung von Textilstrukturen aus synthetischen Hochleistungspolymeren. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Lebensdauer von z.B. Seilen und Bändern aus Hochleistungsfasern signifikant erhöht werden kann, falls es gelingt, bestimmte Schädigungsmechanismen wie Alterung durch Strahlung, aggressive Medieneinflüsse und inneren Verschleiß auszuschließen bzw. zu mindern. Da eine, wie auch immer geartete, nachträgliche Ausrüstung oder Modifizierung der Hochleistungsfasern durch den Weiterverarbeiter (z.B. Seilerei, Weberei, Konfektionär etc.) oder individuelle Bereitstellungen durch die Hersteller ausgeschlossen ist, werden für die Erarbeitung von Lösungsansätzen folgende Randbedingungen vorgeschlagen: die Modifikation des Endverbundes erfolgt nicht durch Veränderungen an der Hochleistungsfaser, sondern durch zusätzlich eingebrachte Hilfsfasern. Das Einbringen der Hilfsfasern soll mit in der Textiltechnik üblicher Weise vorhandener Maschinentechnik möglich sein. Die Ausrüstung der Hilfsfasern erfolgt vorrangig durch Additive, primär mittels Compoundierung im Schmelzspinnprozess. Die vorliegende Arbeit wird zunächst versuchen die Auswirkungen dynamischer Belastungsprozesse auf textile Zug- und Tragmittel aus Hochleistungsfasern zu erfassen. Nach Aufnahme des Schadbildes werden dann die ausgerüsteten Hilfsfasern charakterisiert, d.h. es werden solche mechanischen und physikalischen Parameter erfasst und deren Änderung beschrieben, welche in dem zu erwartenden tribologischen System aus Hochleistungsfaser und Hilfsfasern ausschlaggebend sind. / Advanced synthetic materials, in the shape of synthetic high-performance fibers, are well established in areas such as leisure sports (climbing, sailing), maritime technology (anchor lines, load lines) and reinforced protective equipment (ballistics, protective work clothing). The introduction of high-performance fibers in other fields of application is hindered by deficiencies in the material behavior of the fibers themselves. Whereas the problem of inner wear of the textile-semi-finished products, due to tension and bending loads, causes mutual harm to the fibers. This is considered being the main obstacle to the further spread of textile structures made of synthetic high-performance polymers among users and developers. It can be assumed that a significantly increase of lifetime, of e.g. fiber ropes and narrow fabrics, can be achieved if it succeeds, to exclude certain damage mechanisms such as aging resulting from radiation, aggressive media influences and inner wear. Since any subsequently equipment or modification of high-performance fibers by the manipulators (e.g. rope factory) or individual deployments by the manufacturer are excluded, the following general conditions are suggested for the development of approaches in this work. The modification of the final textile product is not been carried out due to changes on the high-performance fiber, but by additionally introduced assisting fibers. Introducing the assisting fibers to the textile product needs to be carried out on textile technology in common ways on existing machinery. The modification of the assisting fibers will be carried out, primarily through commercially available additives, during compounding in the melt spinning process. This paper will first attempt to capture the effect of dynamic load processes on textile-based tension and hoist members, made of high-performance fibers. After recording the damage structure, the equipped assisting fibers are characterized then. The investigations are including such mechanical and physical parameters, which are crucial in the expected tribological system of high-performance fiber and assisting fibers.

The Aveston Copper and Kelly (ACK) Method has been routinely used in estimating the efficiency of the bond between the textile and cementitious matrix. This method however has a limited applicability due to the simplifying assumptions such as perfect bond. A numerical model for simulation of tensile behavior of reinforced cement-based composites is presented to capture the inefficiency of the bond mechanisms. In this approach the role of interface properties which are instrumental in the simulation of the tensile response is investigated. The model simulates the tension stiffening effect of cracked matrix, and evolution of crack spacing in tensile members. Independent experimental results obtained from literature are used to verify the model and develop composite tensile stress strain response using alkali resistant (AR) glass textile reinforced concrete. The composite stress strain response is then used with a bilinear representation of the composite obtained from the tensile stiffening model. The closed form and simplified equations for representation of flexural response are obtained and used for both back-calculation and also design. A method based on the average moment-curvature relationship in the structural design and analysis of one way and two way flexural elements using yield line analysis approaches is proposed. This comprehensive approach directly shows the interrelation of fundamental materials characterization techniques with simplified design equations for further utilization of textile reinforced concrete materials.

The Aveston Copper and Kelly (ACK) Method has been routinely used in estimating the efficiency of the bond between the textile and cementitious matrix. This method however has a limited applicability due to the simplifying assumptions such as perfect bond. A numerical model for simulation of tensile behavior of reinforced cement-based composites is presented to capture the inefficiency of the bond mechanisms. In this approach the role of interface properties which are instrumental in the simulation of the tensile response is investigated. The model simulates the tension stiffening effect of cracked matrix, and evolution of crack spacing in tensile members. Independent experimental results obtained from literature are used to verify the model and develop composite tensile stress strain response using alkali resistant (AR) glass textile reinforced concrete. The composite stress strain response is then used with a bilinear representation of the composite obtained from the tensile stiffening model. The closed form and simplified equations for representation of flexural response are obtained and used for both back-calculation and also design. A method based on the average moment-curvature relationship in the structural design and analysis of one way and two way flexural elements using yield line analysis approaches is proposed. This comprehensive approach directly shows the interrelation of fundamental materials characterization techniques with simplified design equations for further utilization of textile reinforced concrete materials.

Synthetische Hochleistungswerkstoffe, in Faserform, haben sich bisher in Gebieten wie dem Freizeitsport (Klettersport, Segelsport), Seetechnik (Ankerleinen, Zugleinen) und Schutzausrüstung (Ballistik, Arbeitsschutzbekleidung) bewehrt. Die Einführung von Hochleistungsfasern in weiteren Anwendungsfeldern wird durch Schwachstellen im Materialverhalten der Fasern selbst verhindert. So gilt unter Anwendern und Entwicklern das Problemfeld des inneren Verschleißes der textilen Halbzeuge bei Belastung auf Zug und Biegung, durch gegenseitiges Schädigen der Garne, als Haupthindernis zur weiteren Verbreitung von Textilstrukturen aus synthetischen Hochleistungspolymeren. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Lebensdauer von z.B. Seilen und Bändern aus Hochleistungsfasern signifikant erhöht werden kann, falls es gelingt, bestimmte Schädigungsmechanismen wie Alterung durch Strahlung, aggressive Medieneinflüsse und inneren Verschleiß auszuschließen bzw. zu mindern. Da eine, wie auch immer geartete, nachträgliche Ausrüstung oder Modifizierung der Hochleistungsfasern durch den Weiterverarbeiter (z.B. Seilerei, Weberei, Konfektionär etc.) oder individuelle Bereitstellungen durch die Hersteller ausgeschlossen ist, werden für die Erarbeitung von Lösungsansätzen folgende Randbedingungen vorgeschlagen: die Modifikation des Endverbundes erfolgt nicht durch Veränderungen an der Hochleistungsfaser, sondern durch zusätzlich eingebrachte Hilfsfasern. Das Einbringen der Hilfsfasern soll mit in der Textiltechnik üblicher Weise vorhandener Maschinentechnik möglich sein. Die Ausrüstung der Hilfsfasern erfolgt vorrangig durch Additive, primär mittels Compoundierung im Schmelzspinnprozess. Die vorliegende Arbeit wird zunächst versuchen die Auswirkungen dynamischer Belastungsprozesse auf textile Zug- und Tragmittel aus Hochleistungsfasern zu erfassen. Nach Aufnahme des Schadbildes werden dann die ausgerüsteten Hilfsfasern charakterisiert, d.h. es werden solche mechanischen und physikalischen Parameter erfasst und deren Änderung beschrieben, welche in dem zu erwartenden tribologischen System aus Hochleistungsfaser und Hilfsfasern ausschlaggebend sind. / Advanced synthetic materials, in the shape of synthetic high-performance fibers, are well established in areas such as leisure sports (climbing, sailing), maritime technology (anchor lines, load lines) and reinforced protective equipment (ballistics, protective work clothing). The introduction of high-performance fibers in other fields of application is hindered by deficiencies in the material behavior of the fibers themselves. Whereas the problem of inner wear of the textile-semi-finished products, due to tension and bending loads, causes mutual harm to the fibers. This is considered being the main obstacle to the further spread of textile structures made of synthetic high-performance polymers among users and developers. It can be assumed that a significantly increase of lifetime, of e.g. fiber ropes and narrow fabrics, can be achieved if it succeeds, to exclude certain damage mechanisms such as aging resulting from radiation, aggressive media influences and inner wear. Since any subsequently equipment or modification of high-performance fibers by the manipulators (e.g. rope factory) or individual deployments by the manufacturer are excluded, the following general conditions are suggested for the development of approaches in this work. The modification of the final textile product is not been carried out due to changes on the high-performance fiber, but by additionally introduced assisting fibers. Introducing the assisting fibers to the textile product needs to be carried out on textile technology in common ways on existing machinery. The modification of the assisting fibers will be carried out, primarily through commercially available additives, during compounding in the melt spinning process. This paper will first attempt to capture the effect of dynamic load processes on textile-based tension and hoist members, made of high-performance fibers. After recording the damage structure, the equipped assisting fibers are characterized then. The investigations are including such mechanical and physical parameters, which are crucial in the expected tribological system of high-performance fiber and assisting fibers.

In der vorliegenden Arbeit werden Holzwerkstoffe im statischen Biegeversuch und im Schlagbiegeversuch vergleichend geprüft. Ausgewählte Holzwerkstoffe werden thermisch geschädigt, zudem wird eine relevante Kerbgeometrie geprüft. Ziel der Untersuchungen ist die Eignung verschiedenartiger Werkstoffe für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen mit Schlagbelastungen zu prüfen. Hierzu werden zunächst die Grundlagen der instrumentierten Schlagprüfung und der Holzwerkstoffe erarbeitet. Der Stand der Technik wird dargelegt und bereits durchgeführte Studien werden analysiert. Darauf aufbauend wird eine eigene Prüfeinrichtung zur zeitlich hoch aufgelösten Kraft-Beschleunigungs-Messung beim Schlagversuch entwickelt. Diese wird anhand verschiedener Methoden auf ihre Eignung und die Messwerte auf Plausibilität geprüft. Darüber hinaus wird ein statistisches Verfahren zur Überprüfung auf ausreichende Stichprobengröße entwickelt und auf die durchgeführten Messungen angewendet. Anhand der unter statischer und schlagartiger Biegebeanspruchung ermittelten charakteristischen Größen, wird ein Klassenmodell zum Werkstoffvergleich und zur Werkstoffauswahl vorgeschlagen. Dieses umfasst integral die mechanische Leistungsfähigkeit der geprüften Holzwerkstoffe und ist für weitere Holzwerkstoffe anwendbar. Abschließend wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, ein Konzept für die Bauteilprüfung unter Schlagbelastung für weiterführende Untersuchungen vorgeschlagen. / In the present work wood-based materials are compared under static bending load and impact bending load. Several thermal stress conditions are applied to selected materials, furthermore one relevant notch geometry is tested. The objective of these tests is to investigate the suitability of distinct wood materials for security relevant applications with the occurrence of impact loads. For this purpose the basics of instrumented impact testing and wood-based materials are acquired. The state of the technology and a comprehensive analysis of original studies are subsequently presented. On this basis an own impact pendulum was developed to allow force-acceleration measurement with high sample rates. The apparatus is validated by several methods and the achieved signals are tested for plausibility. A general approach of testing for adequate sample size is implemented and applied to the tested samples. Based on the characteristic values of the static bending and impact bending tests a classification model for material selection and comparison is proposed. The classification model is an integral approach for mechanical performance assessment of wood-based materials. In conclusion a method for impact testing of components (in future studies) is introduced.

The deflection of the ski is a prerequisite for carved turns. The more the ski is edged, the more the ski has to deflect and the more radial force has to be realised in order to keep the whole edge in contact with the snow. To verify this relationship, local ski bending curvature, the lean angle and the radial force were correlated with each other. Characteristic curvature patterns as well as very large correlations (r > 0.7) between the variables were identified. / Die Durchbiegung des Skis ist eine Voraussetzung für gecarvte Schwünge. Je stärker der Ski gekantet ist, desto mehr muss der Ski durchbiegen und desto mehr Radialkraft muss realisiert werden, um die gesamte Kante in Kontakt mit dem Schnee zu halten. Um diesen Zusammenhang zu verifizieren, wurden die lokale Skikrümmung, der Neigungswinkel und die Radialkraft miteinander korreliert. Es wurden sowohl charakteristische Krümmungsmuster als auch sehr große Korrelationen (r > 0,7) zwischen den Variablen festgestellt.

In our work an optical bus-coupler is proposed, which enables easy bidirectional connection between two waveguides without interrupting the bus using a core-to-core coupling principle. With bended waveguides the coupling ratio can be tuned by adjusting the overlap area of the two cores. In order to ensure large overlap areas at short coupling lengths, the waveguides have rectangular cross sections. To examine the feasibility of this coupling concept a simulation was performed, which is presented in this paper. Due to multimode waveguides, used in short range data communication, a non-sequential ray tracing simulation is reasonable. Simulations revealed that the bending of the waveguide causes a redistribution of the energy within the core. Small radii push the main energy to the outer region of the core increasing the coupling efficiency. On the other hand, at excessive lowered bend radii additional losses occur (due to a coupling into the cladding), which is why an optimum has to be found. Based on the simulation results it is possible to derive requirements and design rules for the coupling element.

Die Präsentation stellt kurz die Grundlagen der Berechnung von Schraubenverbindungen in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2230 Teil 1 dar. Auch die vier FEM-Modellklassen, die die VDI 2230 Teil 2 (Entwurf) zur Berechnung von Mehrschraubenverbindungen vorschlägt, werden behandelt, und die in Creo Simulate vorhandenen Softwarefeatures zu deren Umsetzung vorgestellt. Es folgt eine Darstellung, was bei der Linearisierung von Schraubenverbindungen zur vereinfachten Berechnung zu beachten ist, und wieso bei der Berechnung im FEM-System dann nicht notwendigerweise eine Vorspannung benötigt wird. Ausführlich wird das neue Schraubenfeature in Creo Simulate betrachtet, das eine weitgehend automatisierte Modellierung und Berechnung von Standardverschraubungen erlaubt. Weitere Features, wie die neuen Vorspannelemente, werden erläutert, sowie auch die Grenzen der Software aufgezeigt. Abschließend werden zwei anspruchsvolle Anwendungsbeispiele vorgestellt: Eine zentrisch belastete Verschraubung mit Berücksichtigung von Elasto-Plastizität und einer komplexen Lasthistorie (Anziehen durch Anzugsmoment, Setzeffekte, Entfall des Torsionsmomentes durch das Anziehen, Betriebskraft) sowie eine exzentrisch belastete Verschraubung, die wegen eines relativ dünnen Flansches starke Biegezusatzbeanspruchungen erfährt. / The presentation shows the foundations of bolt analysis according to VDI-guideline 2230 part 1. In addition, the four FEM model classes proposed in VDI 2230 part 2 (draft) are described, as well as the features available in Creo Simulate to realize these model classes. Next, the presentation shows the requirements for linearizing bolted connections, and why in a FEM analysis with a linearized connection no preload is necessary. The new fastener feature introduced in Creo Simulate is explained in detail. This feature allows the automated modeling and analysis of bolted connections having standard geometry. Further software features, like pretension elements, as well as the current software limitations are shown. Finally, two advanced application examples are shown: A centrically loaded bolted connection taking into account elasto-plasticity and a complex load history (tightening torque, embedding, removal of tightening stress, operational load), and an eccentrically loaded flange connection, which is subjected to high additional bending loads because the flange is relatively thin.