Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Als Stand der Technik sind einfache, kreisförmige Verrundungen zur Reduktion von Kerbspannungen an Querschnittsübergängen bekannt, für die aus Tabellenwerken / Diagrammen in der Literatur die Formzahl einfach abgelesen werden kann. Die Effizienz der Spannungsreduktion solcher Lösungen ist jedoch sehr begrenzt. Ziel der Arbeit ist es daher, dem Konstrukteur bzw. Berechnungsingenieur ein Verfahren in die Hand zu geben, mit dem er für Standardquerschnittsübergänge und Standardlastfälle "Nicht-Kreiskerben" ohne teure und zeitaufwendige FEM-Analyse einfach durch Nutzung geeigneter Formzahldiagramme auslegen kann. Dabei sind sogar Formzahlen von nahezu eins möglich, d.h., in der "Kerbe" bleibt praktisch nur noch die Nennspannung übrig. Die Präsentation ist zweitgeteilt: Im ersten Teil werden die Arbeitsmethoden bzw. Softwarefunktionen und verwendeten Softwarewerkzeuge vorgestellt: Dies sind die Programme Creo Parametric als vollparametrisches CAD-Werkzeug und Creo Simulate als p-FEM-Programm der Parametric Technology Coprporation (PTC). Der zweite Teil der Präsentation beschreibt den Gültigkeitsbereich sowie die untersuchten Kerbgeometrien: Die einfache kreisförmige Verrundung als Stand der Technik, die Zwei-Radien-Kerbe, die Baud-Kurve, die Methode der Zugdreiecke nach Claus Mattheck, die elliptische Kerbe sowie die konische Rundung als generalisierte elliptische Kerbe. Es wird kurz eine Bibliothek vorgestellt, mit der solche Kerben einfach ausgelegt werden können, d.h. Ihre exakte Geometrie festgelegt sowie die zugehörige Formzahl αk bestimmt werden kann. / Circular (one-radius) fillets are known as state-of-the-art for reducing notch stresses at cross section transitions. The stress concentration factor Kt of such geometries can be read out from diagrams/tables given in the literature. However, the efficiency of stress reduction of circular notches is very limited. The goal of the work therefor is to present a method for the designer/analyst how to design non-circular notches/fillets just by using suitable Kt-diagrams without time-consuming and expensive FEM analyses. Kt-numbers of nearly one are possible, that means in the "notch" just the nominal stress appears and no stress concentration takes place. The presentation has two parts: Part one describes the working methods and software functions as well as software tools: Creo Parametric as fully-parametric CAD program and Creo Simulate as embedded p-FEM-tool from Parametric Technology Corporation (PTC) have been used. The second part describes the range of validity and the examined notch geometries: The one-radius fillet as state-of-the-art, the two-radii filet, the Baud-curve, the method of tensile triangles from Claus Mattheck, the standard elliptical fillet and the conical round as generalized elliptical fillet. A notch layout library is shortly presented that allows to design such fillets, that means exactly determine the notch geometry and the related stress concentration factor Kt.

Die bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomerwerkstoffen zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie. Endscheidenden Einfluss hat die Art der Beanspruchung, die der Belastung des realen Bauteils entsprechen sollte. In dieser Arbeit wird die Methode zur Analyse des dynamischen Risswachstums von Elastomeren im simultanen Tensile- und Pure-shear-Prüfmodus beschrieben. Die Methode, basierend auf der mechanischen Aufrüstung und Weiterentwicklung eines Tear and Fatigue Analyzers, stellt den Prüfmethoden übergreifende Feststellungen zu aussagekräftigen Kennwertdaten des Bruchverhaltens von Elastomeren vor. Die Schwerpunke der Arbeit wurden in zwei Hauptthemen unterteilt, wobei zuerst eine konstruktive Modifizierung des kommerziellen TFA vorgenommen wurde und anschließend die Untersuchungen zur Beschreibung der bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomerwerkstoffen und dynamischer Beanspruchung mittels modifiziertem TFA durchgeführt wurden. Es wurde aus den Anforderungen an die quantitative, simultane Analyse von SENT- als auch Pure-shear-Prüfkörpern eine konstruktive Modifizierung des kommerziellen TFA vorgenommen. Insbesondere die Schwerpunkte der Modifizierung wurden der Verminderung des Einflusses der Prüfkörperhalterungsfestigkeit auf die Genauigkeit der Analyse und der Untersuchung des Resonanzbereiches des TFA gewidmet. Die hier dokumentierten Ergebnisse durch den modifizierten TFA haben deutlich das unterschiedliche Bruchverhalten in der Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie nachgewiesen. Es wurden umfangreiche Untersuchungen zur Charakterisierung der Rissausbreitungsgeschwindigkeiten in Elastomeren in Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie als auch von der Risslänge durchgeführt, wobei festgestellt wurde, dass die bruchmechanischen Eigenschaften nicht nur von der Risslänge, sondern auch signifikant von der Kerbgeometrie abhängen. Die Ergebnisse haben weiterhin gezeigt, dass ein großer Einfluss der Herstellungsparameter der Prüfkörper unter Berücksichtigung von Kautschukbasis und Kautschukmischungsrezeptur auf die bruchmechanischen Eigenschaften besteht. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung der dynamisch-bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomeren stellt zusammen mit der Berücksichtigung der Herstellungsparameter einen genauen Vergleich zwischen den experimentell ermittelten Prüfwerten unabhängig von der Prüfkörpergeometrie dar. / The mechanical properties of rubber materials can be shown to be a function of the geometry of the test specimen. The main affecting parameters are the loading conditions. The present work proposes a new fracture mechanical testing concept for determination of dynamic crack propagation of rubber materials. This concept implements a method of simultaneous tensile- and pure-shear-mode testing. The present approach is based on an upgrade of the Tear and Fatigue Analyzers, on the fracture mechanics theory of dynamically loaded test specimens and on the definition of pure-shear states according to the test specimen’s geometry ratio. The main focus of this work can be divided in two parts. Firstly it is introduced the development of a method for analysis of dynamic crack propagation in filled rubber by simultaneous tensile- and pure shear mode testing. The servo-hydraulic machine with controlled temperature testing chamber is equipped with simultaneously operating two mode test equipment which represents a new fracture testing method. Secondarily the analysis of crack propagation under the dynamic loading conditions is practised with this method. It is shown how the tearing energy and the crack growth rate depend on the test specimen’s geometry ratio and crack length. It is also demonstrated that the values for tearing energies and also crack growth rates for short crack lengths in SENT- as well as in pure-shear test specimens are identical. Another important aspect is related to the different values of tearing energies and crack growth rates for cracks with short and large lengths in pure-shear test specimens. The results show the dependence of fracture behavior on manufacturing the test specimens. The new fracture mechanical testing concept offers a comparison between fracture behavior of rubber materials independent of the test specimens geometry.

Die bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomerwerkstoffen zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie. Endscheidenden Einfluss hat die Art der Beanspruchung, die der Belastung des realen Bauteils entsprechen sollte. In dieser Arbeit wird die Methode zur Analyse des dynamischen Risswachstums von Elastomeren im simultanen Tensile- und Pure-shear-Prüfmodus beschrieben. Die Methode, basierend auf der mechanischen Aufrüstung und Weiterentwicklung eines Tear and Fatigue Analyzers, stellt den Prüfmethoden übergreifende Feststellungen zu aussagekräftigen Kennwertdaten des Bruchverhaltens von Elastomeren vor. Die Schwerpunke der Arbeit wurden in zwei Hauptthemen unterteilt, wobei zuerst eine konstruktive Modifizierung des kommerziellen TFA vorgenommen wurde und anschließend die Untersuchungen zur Beschreibung der bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomerwerkstoffen und dynamischer Beanspruchung mittels modifiziertem TFA durchgeführt wurden. Es wurde aus den Anforderungen an die quantitative, simultane Analyse von SENT- als auch Pure-shear-Prüfkörpern eine konstruktive Modifizierung des kommerziellen TFA vorgenommen. Insbesondere die Schwerpunkte der Modifizierung wurden der Verminderung des Einflusses der Prüfkörperhalterungsfestigkeit auf die Genauigkeit der Analyse und der Untersuchung des Resonanzbereiches des TFA gewidmet. Die hier dokumentierten Ergebnisse durch den modifizierten TFA haben deutlich das unterschiedliche Bruchverhalten in der Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie nachgewiesen. Es wurden umfangreiche Untersuchungen zur Charakterisierung der Rissausbreitungsgeschwindigkeiten in Elastomeren in Abhängigkeit von der Prüfkörpergeometrie als auch von der Risslänge durchgeführt, wobei festgestellt wurde, dass die bruchmechanischen Eigenschaften nicht nur von der Risslänge, sondern auch signifikant von der Kerbgeometrie abhängen. Die Ergebnisse haben weiterhin gezeigt, dass ein großer Einfluss der Herstellungsparameter der Prüfkörper unter Berücksichtigung von Kautschukbasis und Kautschukmischungsrezeptur auf die bruchmechanischen Eigenschaften besteht. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung der dynamisch-bruchmechanischen Eigenschaften von Elastomeren stellt zusammen mit der Berücksichtigung der Herstellungsparameter einen genauen Vergleich zwischen den experimentell ermittelten Prüfwerten unabhängig von der Prüfkörpergeometrie dar. / The mechanical properties of rubber materials can be shown to be a function of the geometry of the test specimen. The main affecting parameters are the loading conditions. The present work proposes a new fracture mechanical testing concept for determination of dynamic crack propagation of rubber materials. This concept implements a method of simultaneous tensile- and pure-shear-mode testing. The present approach is based on an upgrade of the Tear and Fatigue Analyzers, on the fracture mechanics theory of dynamically loaded test specimens and on the definition of pure-shear states according to the test specimen’s geometry ratio. The main focus of this work can be divided in two parts. Firstly it is introduced the development of a method for analysis of dynamic crack propagation in filled rubber by simultaneous tensile- and pure shear mode testing. The servo-hydraulic machine with controlled temperature testing chamber is equipped with simultaneously operating two mode test equipment which represents a new fracture testing method. Secondarily the analysis of crack propagation under the dynamic loading conditions is practised with this method. It is shown how the tearing energy and the crack growth rate depend on the test specimen’s geometry ratio and crack length. It is also demonstrated that the values for tearing energies and also crack growth rates for short crack lengths in SENT- as well as in pure-shear test specimens are identical. Another important aspect is related to the different values of tearing energies and crack growth rates for cracks with short and large lengths in pure-shear test specimens. The results show the dependence of fracture behavior on manufacturing the test specimens. The new fracture mechanical testing concept offers a comparison between fracture behavior of rubber materials independent of the test specimens geometry.

Als Stand der Technik sind einfache, kreisförmige Verrundungen zur Reduktion von Kerbspannungen an Querschnittsübergängen bekannt, für die aus Tabellenwerken / Diagrammen in der Literatur die Formzahl einfach abgelesen werden kann. Die Effizienz der Spannungsreduktion solcher Lösungen ist jedoch sehr begrenzt. Ziel der Arbeit ist es daher, dem Konstrukteur bzw. Berechnungsingenieur ein Verfahren in die Hand zu geben, mit dem er für Standardquerschnittsübergänge und Standardlastfälle "Nicht-Kreiskerben" ohne teure und zeitaufwendige FEM-Analyse einfach durch Nutzung geeigneter Formzahldiagramme auslegen kann. Dabei sind sogar Formzahlen von nahezu eins möglich, d.h., in der "Kerbe" bleibt praktisch nur noch die Nennspannung übrig. Die Präsentation ist zweitgeteilt: Im ersten Teil werden die Arbeitsmethoden bzw. Softwarefunktionen und verwendeten Softwarewerkzeuge vorgestellt: Dies sind die Programme Creo Parametric als vollparametrisches CAD-Werkzeug und Creo Simulate als p-FEM-Programm der Parametric Technology Coprporation (PTC). Der zweite Teil der Präsentation beschreibt den Gültigkeitsbereich sowie die untersuchten Kerbgeometrien: Die einfache kreisförmige Verrundung als Stand der Technik, die Zwei-Radien-Kerbe, die Baud-Kurve, die Methode der Zugdreiecke nach Claus Mattheck, die elliptische Kerbe sowie die konische Rundung als generalisierte elliptische Kerbe. Es wird kurz eine Bibliothek vorgestellt, mit der solche Kerben einfach ausgelegt werden können, d.h. Ihre exakte Geometrie festgelegt sowie die zugehörige Formzahl αk bestimmt werden kann. / Circular (one-radius) fillets are known as state-of-the-art for reducing notch stresses at cross section transitions. The stress concentration factor Kt of such geometries can be read out from diagrams/tables given in the literature. However, the efficiency of stress reduction of circular notches is very limited. The goal of the work therefor is to present a method for the designer/analyst how to design non-circular notches/fillets just by using suitable Kt-diagrams without time-consuming and expensive FEM analyses. Kt-numbers of nearly one are possible, that means in the "notch" just the nominal stress appears and no stress concentration takes place. The presentation has two parts: Part one describes the working methods and software functions as well as software tools: Creo Parametric as fully-parametric CAD program and Creo Simulate as embedded p-FEM-tool from Parametric Technology Corporation (PTC) have been used. The second part describes the range of validity and the examined notch geometries: The one-radius fillet as state-of-the-art, the two-radii filet, the Baud-curve, the method of tensile triangles from Claus Mattheck, the standard elliptical fillet and the conical round as generalized elliptical fillet. A notch layout library is shortly presented that allows to design such fillets, that means exactly determine the notch geometry and the related stress concentration factor Kt.