Im Projekt wurde die Substitution von Metallen durch Holzwerkstoffe in drei ausgewählten Anwendungsfällen untersucht. Es wurde ein Arbeitstisch mit Nutenplatte, ein Schlitten für einen Rollenprüfstand und ein Vertikalförderer in Metallbauweise subsituiert. Die resultierenden drei Holzbauweisen wurden als Prototyp realisiert. Ein Vergleich der Bauweisen zeigt technische, ökonomische und ökologische Vorteile sowie Grenzen der Holzbauweisen. Förderkennzeichen: 22023611 bzw. 11NR236 / The substitution of three applications made from metals using wooden materials was the objective of the project. A workbench with a slotted table top, a sliding carriage for a roller test bench and a vertical conveying system have been substituted. As a result, three wood constructions were realized as prototypes. A comparison of the constructions shows technical, economical and ecological advantages as well as limits of the wood design itself.

Submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering: Mechanical Engineering, Durban University of Technology, Durban, South Africa, 2017. / The development and validation of reliable numerical modelling approaches is important for higher levels of aircraft crashworthiness performance to meet the increasing demand for occupant safety. With the use of finite element analysis (FEA), development costs and certification tests may be reduced, whilst satisfying aircraft safety requirements. The primary aim of this study was the development and implementation of an explicit nonlinear dynamic finite element based methodology for investigating the crashworthiness of a small lightweight fibre reinforced composite aircraft with occupants. The aircraft was analysed as it crashed into soft soil and the FEA software MSC Dytran was selected for this purpose. The aircraft considered for the purposes of this study was based on a typical four-seater single engine fibre-reinforced plastic composite aircraft. The definition of a survivable accident is given by Coltman [1] as: “an accident in which the forces transmitted to the occupant through his seat and restraint system do not exceed the limits of human tolerance to abrupt accelerations and in which the structure in the occupant’s immediate environment remains substantially intact to the extent that a liveable volume is provided for the occupants throughout the crash sequence”. From this definition, it was determined that the FEA models must primarily provide an assessment on the crashworthiness of the aircraft in terms of the structural integrity of the airframe to ensure a minimum safe occupant volume and the tolerance of humans to abrupt (de)accelerations. An assessment of other crashworthiness factors have been ignored in this study, such as post-crash hazards (e.g. fire) and safe egress for the occupants. Stockwell [2] performed a dynamic crash analysis of an all-composite Lear Fan aircraft impacting into concrete with the explicit nonlinear dynamic finite element code MSC Dytran. The structural response of components was qualitatively verified by comparison to experimental data such as video and still camera images. The composite fuselage materials were represented with the use of simplified isotropic elastic-plastic material models, and therefore did not account for the anisotropic properties of composite materials and the associated failure mechanisms. The occupants were represented as lumped masses; therefore occupant response could not be investigated. Malis and Splichal [3] performed a dynamic crash analysis of a composite glider impacting into a rigid surface with MSC Dytran; however further model verification was required. The 50th percentile adult male (occupant of average height and mass) Hybrid III anthropomorphic test device (ATD), also referred to as a crash test dummy, was represented in the analyses with the Articulated Total Body (ATB) model integrated within MSC Dytran. Various injury criteria of the ATB model were evaluated to determine the crashworthiness of the glider. Bossak and Kaczkowski [4] performed global dynamic crash analyses of a composite light aircraft crash landing. Representative wet soil, concrete and rigid impact terrains were modelled using Lagrangian-based finite element techniques and only the vertical velocity component of the aircraft was considered to simplify analyses. It was assumed that the previous use of only a downward vertical velocity component was a result of possible numerical instabilities which commonly occur with the use of Lagrangian solvers when considering problems with large deformations, which is a characteristic of crash analyses (i.e. the addition of a horizontal velocity component may result in severe element deformation of the soft soil terrain, resulting in premature analysis termination). Analyses of the occupant were performed in separate local models, using accelerations derived from the global analyses results. The real-time interactions between the occupant and aircraft therefore could not be investigated, which is considered a major disadvantage. Impact analyses of helicopters into water were performed by Clarke and Shen [5], and Wittlin et al. [6]. Both these papers showed promising results with the use of Eulerian-based finite element techniques to model the water. Additionally, combined horizontal and forward velocity components were assigned to the fuselages with success. It must be noted that the fuselages were modelled as rigid bodies; therefore the effect of structural failure on analyses could not be investigated. Fasanella et al. [7] performed drop tests of a composite energy absorbing fuselage section into water using Eulerian, Arbitrary Lagrange Eulerian (ALE) and Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) meshless Lagrangian-based finite element techniques to represent water. Successful correlation between experimental and numerical data was achieved; however, structural failure could not be modelled with the Eulerian-based finite element technique due to analysis code limitations at the time. A “building block” approach was used in this study to develop accurate numerical modelling techniques prior to the implementation of the full-scale crash analyses. Once the blocks produced satisfactory results in themselves, they were then integrated in order to achieve the abovementioned primary aim of this study. The sub-components (or blocks) were the occupant (viz, FEA of the human bodies’ response to impact), (FEA of) soft soil impact and (FEA of) fibre-reinforced plastic composite structures. This approach is intuitive and provides key understanding of how each sub-component contributes to the full-scale crash analyses. Published literature was reviewed, where possible, as a basis for the development and validation of the techniques employed for each sub-component. The technique required to examine the dynamic response of an occupant with MSC Dytran, integrated with the ATB model, was demonstrated through the analysis of a sled test. The numerical results were found to be comparable to experimental results found in the literature. An Eulerian-based finite element technique was implemented for soft soil impact analyses, and its effectiveness was determined through correlation of experimental penetrometer drop test results found in the literature. An investigation into the performance of the Tsai-Wu failure criterion to capture the onset and progression of failure through the layers of fibre reinforced composite laminates was conducted for an impulsively loaded unidirectional laminate strip model. Based on the results obtained, the techniques implemented for each sub-component were deemed valid for crashworthiness applications (viz. to achieve the project aim). Full-scale crash analyses of impacts into rigid and soft soil terrains with varying aircraft impact and pitch angles were investigated. Typical limitations encountered in previously published works were overcome with the techniques presented in this study. The aircrafts’ laminate layup schedule was explicitly defined in MSC Dytran, thereby eliminating the inherent inaccuracies of using isotropic models to approximate laminated composite materials. The aircraft was assigned both horizontal and vertical velocity components instead of only a vertical component, which increased the model accuracy. Numerical instabilities, due to element distortion of the terrain when using a Lagrangian approach, were eliminated with the use of an Eulerian soft soil model (Eulerian techniques are typically used to model fluids where large deformations occur, which is a characteristic of crash analyses). Structural failure was successfully implemented by coupling Lagrangian and Eulerian solvers. The ATB model allowed for the real-time interactions between the occupant and aircraft to be investigated, unlike previously where analyses of the occupant were performed in separate local models using accelerations derived from the global analyses results. The results obtained from the crash analyses provide an indication of the forces transmitted to the occupant through the seat and restraint system, and the aircraft’s ability to provide a survivable volume throughout the crash event. The explicit nonlinear dynamic finite element based methodology was successfully implemented for investigating the crashworthiness of small lightweight composite aircraft, satisfying the primary aim of this study. Chapter 1 provides a review of fibre reinforced composite materials, the finite element method (FEM), ATDs and associated analysis codes, human tolerance limits to abrupt (de)accelerations, and crash dynamics and environment. The review of the FEM initially focuses on the fundamentals of FEA and then on the features specific to MSC Dytran as it is used throughout this study. Chapter 2 discusses the development of suitable numerical modelling techniques at the sub-component level and the implementation of these techniques within the full-scale crash analyses. Chapter 3 presents and discusses the full-scale crash analyses results for three impacts into rigid terrain and three impacts into soft soil terrain with varying aircraft pitch and impact angles. The results obtained from the crash analyses provide an indication of the forces transmitted to the occupant through the seat and restraint system, and the aircraft’s ability to provide a survivable volume throughout the crash event. Chapter 4 provides a conclusion of the work performed in this study and highlights various areas for future work. / D

Motivation - Komplexe Anforderungen an die Karosserie - Unbekannte Auswirkungen von Parametervariationen in der frühen Phase - Informationsdefizit führt zu Iterationsschleifen Ziel Beurteilung der Auswirkung von Parametervariationen von Werkstoffen, Produktionsverfahren, Geometrien auf die Karosserie-Eigenschaften

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:24:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silvio Stefanini SantAnna.pdf: 18096885 bytes, checksum: 5992d4de684f9a2caa6d7c1fbf8aa18c (MD5) Previous issue date: 2012-12-06 / This study suggests a discussion of contemporary architecture and its correlation with the lightweight construction systems within a specific approach resulting from materiality and tectonics that have a catalytic role of technological and architectural construction. For architecture, materiality is manifested in its concrete and formal physical expression and contributes to the outcome of the spatiality of the resulting building. The form is a result of the qualification material and performance while matter. Is training conceptive and inventive architect explore the geometry or not shape's geometry. The constructive constraints of the architectural object are reflections of a tectonic able to solve and lead to the technological qualities that limit the performance of building systems must meet. The verification of the segments considered in this study through analysis of works characteristics of these settings will allow verification of the role of technology and development of lightweight construction systems in the settings of contemporary architecture and consequently their relationship to material innovations that these architectures can be realized. / Este estudo propõe a discussão da arquitetura contemporânea e sua correlação com os sistemas construtivos leves dentro de uma abordagem específica, decorrente das novas materialidades e da tectônica, que exercem um papel catalisador das transformações tecnológicas e construtivas arquitetônicas. Para a arquitetura, a materialidade manifestada na sua concretude é expressão física e formal, e contribui para o resultado das espacialidades resultantes do edifício. A forma é resultado da qualificação material e de seu desempenho enquanto matéria. A exploração geométrica ou não geométrica da forma é capacitação conceptiva e inventiva do arquiteto. As condicionantes construtivas do objeto arquitetônico são reflexões de uma tectônica capaz de resolver e levar ao limite as qualidades tecnológicas que o desempenho dos sistemas construtivos deve atender. A verificação dos seguimentos considerados neste estudo por meio de análises de obras características dessas configurações irá permitir a verificação do papel da tecnologia e do desenvolvimento dos sistemas construtivos leves nas configurações da arquitetura contemporânea e, consequentemente, sua relação com as inovações materiais para que essas arquiteturas possam ser realizadas.

Auf der Grundlage technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Kriterien werden drei Prototypen unterschiedlicher Anwendungen in Holz- und Metallbauweise untersucht und deren Unterschiede bewertet. / Based on technical, economic and ecological criteria, three prototypes of different applications in wood and metal construction are examined and their differences are evaluated.

Sandwichplatten sind effiziente Leichtbauelemente. Sie werden im Fahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt, im Werkzeugmaschinenbau und überall dort, wo es auf geringe bewegte Massen ankommt, eingesetzt. Sandwichplatten sind oft Halbzeuge. Sandwichbauteile haben oft einen aufwendigen Herstellungsprozess, der eine Wärmebehandlung, die höhere Genauigkeiten ausschließt, beinhaltet. Aus diesen Gründen ist es oft sinnvoll, Inserts erst im Nachhinein in die fertige Sandwichplatte bzw. in das fertige Sandwichbauteil einzusetzen. Diese Inserts haben unterschiedliche Aufgaben. Sie dienen z.B. der Aufnahme von Schrauben, Bolzen und Lagern. Die vorgestellte Verbindung entspricht durch ihre spezielle Geometrie den hohen Anforderungen für Verbindungselemente in den genannten Gebieten hinsichtlich Genauigkeit und Stabilität. Es wird der Konstruktionsprozess eines Inserts für Sandwichplatten aus CFK- Verbundmaterial beschrieben. Ausgehend von einer patentierten Lösung der Autoren findet eine schrittweise Produktverbesserung bis hin zu einem einsatzfähigen Prototypen statt. Durch die Insertverbindung können für den Maschinenbau erforderliche Genauigkeiten nun mit CFK- Halbzeugen umgesetzt werden. Die Anwendung dieses Leichtbaupotentials führt zur Energieeinsparung und zum Transfer von CFK- Anwendungen in den Maschinenbau.

Bei Compliantmechanismen ergibt sich die Bewegungsfreiheit durch die elastische Verformung nachgiebiger Elemente. Durch deren Formgebung und Werkstoffauswahl kann das Verformungsbild unter definierter Belastung theoretisch gezielt eingestellt werden. Die Nachgiebigkeit eines einzelnen Mechanismenelements kann dabei über seine gesamte Länge gleichmäßig verteilt oder aber auf einen bestimmten Bereich konzentriert sein. Ein besonderer Vorteil nachgiebiger Elemente ist dabei die Reduktion der Einzelteile und die hiermit verbundene Verringerung der Systemmasse, des Montageaufwands und der Montagekosten. Für den Einsatz im Maschinenbau wird in auch die Möglichkeit einer spielfreien und somit sehr exakten Führung der Bewegung genannt. Zudem ist es durch die Einsparung reibungsbehafteter Berührungselemente bzw. beweglicher Lagerungen möglich, den Verschleiß innerhalb des Mechanismus zu reduzieren. Somit vereinfacht sich auch die Wartung, was den Einsatz von Compliantmechanismen beispielsweise bei schwerer Zugänglichkeit besonders vorteilhaft erscheinen lässt. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Nachgiebigkeitsmechanismen ist die hinreichend genaue Beschreibung des Verformungsverhaltens ihrer nachgiebigen Glieder. Vereinfachte Modellansätze im Sinne der Biegebalken-Theorie 1. Ordnung sind hier nicht geeignet, die großen Verformungen analytisch zu erfassen. Zwar finden sich heute zahlreiche höherwertige Lösungen zur Theorie 2. und 3. Ordnung in einer fast unüberschaubaren Vielzahl von Publikationen – beispielgebend sei genannt – die verallgemeinert auf Grundlagenarbeiten fußen. Die analytische Beschreibung eines Biegebalkens bei großer Verformung ist jedoch noch immer eine komplexe Aufgabe, die ein hohes Maß an mathematischen Fähigkeiten vom praxisorientierten Ingenieur erfordert. Nur die präzise Beschreibung der nachgiebigen Mechanismenelemente eröffnet aber den Weg für eine Genaulagen-Synthese und somit letztlich den breiten Einsatz von nachgiebigen Elementen in Leichtbau-Mechanismen. Für eine effiziente Synthese sind daher alternative Lösungsansätze notwendig, die dem Ingenieur eine schnelle und hinreichend genaue Vorhersage des komplexen Verformungsverhaltens erlauben. Im Rahmen der Arbeit werden hierfür zunächst die erarbeiteten, neuartigen Methoden des SFB 639 in kompakter Form aufbereitet. Für die Mehrzahl der technischen Probleme soll hierauf aufbauend eine praxisgerechte Methode erarbeitet werden, die es erlaubt mit einfachen Mitteln eine Genaulagen-Synthese von Compliantmechanismen durchzuführen. Hierfür ist die Nachgiebigkeit (Kehrwert von Elastizitätsmodul × Flächenträgheitsmoment) so anzupassen, dass das veränderliche Schnittmoment entlang des Balkens zu einer stets gleichen Krümmung führt. Durch den Einsatz anisotroper Werkstoffe – wie etwa mehrschichtiger, textilverstärkter Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FKV) – kann etwa, durch eine lokale Anpassung der Faserorientierung, der Elastizitätsmodul entlang des Mechanismenelementes gezielt eingestellt werden. Eine Veränderung der Nachgiebigkeit daher nicht nur geometrisch (Variation des Flächenträgheitsmoment) sondern auch werkstofflich induziert werden. Es entstehen Mechanismenelemente mit lokal angepasster Nachgiebigkeit, für die im Rahmen der Arbeit auch die Methoden zur gezielten Einstellung der veränderlichen Faserorientierung entlang der Balkenachse entwickelt werden.:1 Einleitung 1 1.1 Einführung in Nachgiebigkeitsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Literaturschau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Problemstellung und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Verformungsverhalten nachgiebiger Mechanismenelemente 8 2.1 Modellierung biegebeanspruchter brettförmiger Balken . . . . . . . . . 8 2.2 Betrachtungen zum Verformungsverhalten nachgiebiger Strukturen . . . 12 2.3 Krümmungsgleichung für die Analyse großer Verformungen . . . . . . . 15 2.4 Analyse von Compliantelementen mittels Phasenportrait-Methode . . . 18 3 Anpassung der lokalen Nachgiebigkeit 27 3.1 Erzeugung konstanter Krümmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Variation des Flächenträgheitsmomentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Modellanalyse mittels normierter Betrachtung . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Technologische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.3 Experimentelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Variation des Elastizitätsmoduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Anpassung durch lokale Variation der Faserorientierung . . . . . 42 3.3.2 Technologische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.3 Experimentelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Gezielte Synthese von Compliantmechanismen 67 4.1 Genaulagen-Synthese – Burmester-Theorie der bewegten Ebenen . . . . 68 4.1.1 Vorgabe von zwei Ebenenlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.2 Vorgabe von drei und mehr Ebenenlagen . . . . . . . . . . . . . 73 4.2 Synthese von Mechanismen mit nachgiebigen Elementen . . . . . . . . 75 4.2.1 Polkongruente Synthese für zwei Ebenenlagen . . . . . . . . . . 75 4.2.2 Nicht-polkongruente Synthese für zwei Ebenenlagen . . . . . . . 77 4.2.3 Lösungsansatz zur Synthese von drei Ebenenlagen . . . . . . . . 80 4.3 Experimentelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5 Gestaltungshinweise für Compliantmechanismen 84 5.1 Freiheitsgrad von Mechanismen mit nachgiebigen Elementen . . . . . . 84 5.2 Langzeitverhalten von nachgiebigen Elementen . . . . . . . . . . . . . . 90 6 Zusammenfassung 94 Literaturverzeichnis 97 A Anhang 103 A.1 MATLAB R2016 Skript: Berechnung Phasenportrait . . . . . . . . . . 105 A.2 MATLAB R2016 Skript: Faserorientierung bei Vorgabe der Last . . . . 113 A.3 MATLAB R2016 Skript: Faserorientierung bei Vorgabe der Gliedlänge . 117

Im Projekt wurde die Substitution von Metallen durch Holzwerkstoffe in drei ausgewählten Anwendungsfällen untersucht. Es wurde ein Arbeitstisch mit Nutenplatte, ein Schlitten für einen Rollenprüfstand und ein Vertikalförderer in Metallbauweise subsituiert. Die resultierenden drei Holzbauweisen wurden als Prototyp realisiert. Ein Vergleich der Bauweisen zeigt technische, ökonomische und ökologische Vorteile sowie Grenzen der Holzbauweisen. Förderkennzeichen: 22023611 bzw. 11NR236 / The substitution of three applications made from metals using wooden materials was the objective of the project. A workbench with a slotted table top, a sliding carriage for a roller test bench and a vertical conveying system have been substituted. As a result, three wood constructions were realized as prototypes. A comparison of the constructions shows technical, economical and ecological advantages as well as limits of the wood design itself.

Das Hauptanliegen des Bundesexellenzclusters MERGE: Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen ist die Verwendung von prozesstauglichen Technologien zur resourceneffizienten Herstellung von Leichtbaustrukturen in Mischbauweise. In der Interactive Domain (IRD): Modelling, Integrative Simulation and Optimization des Cluster of Excellence „MERGE“ werden ganzheitliche und durchgängige Simulationsketten entwickelt, um das Werkstoffverhalten von unterschiedlichen Materialgruppen unter Berücksichtigung prozessbedingter und belastungsspezifischer Restriktionen aufeinander abzustimmen. Die Bauteileigenschaften und Randbedingungen bei der Herstellung der Hybridbauteile hängen dabei, neben den verwendeten Materialkombinationen (Kunststoffe, Faserverbunde, Metalle), in starkem Maße von den zugrundeliegenden Fertigungsprozessen ab. Insbesondere die multikriterielle Optimierung -- von der Herstellung bis zum belasteten Bauteil -- benötigt eine Vielzahl an aufwändigen Simulationen die ein effizientes Datenmanagement sowie verteilten Berechnungsumgebungen erfordern. / The main objective of the Cluster of Excellence “MERGE”: Merge Technologies for Multifunctional Lightweight Structures is the use of process technologies suitable for resource-efficient production of lightweight structures in composite design. In the Interactive Research Domain (IRD): Modelling, Simulation and Optimization of Cluster of Excellence "MERGE" holistic and integrated simulation chains are designed to match the material behavior of different groups of materials under consideration of process-related and load specific restrictions. The component properties and constraints in the production of hybrid components depend in addition to the used material combinations (fiber reinforced plastics and metals) largely on the underlying production process. In particular, the multicriteria optimization - from manufacturing process until the loaded lightweight structure -- requires a large number of complex simulations which require an efficient data management and distributed computing environments.

Das Bauwesen steht in den kommenden Jahren vor der Herausforderung, für eine steigende Weltbevölkerung Habitate und Infrastruktursysteme zu errichten – unter Berücksichtigung abnehmenden Ressourcenvorkommens. Dies erfordert die Erforschung und Entwicklung neuer, innovativer Leichtbautechnologien für die Baubranche, die auf ein möglichst leichtes Bauen, die Minimierung des Verbrauchs an fossil erzeugter Energie sowie eine recyclinggerechte Bauweise abzielen [1]. Eine Möglichkeit im Bereich des Bauens mit Beton ist die von Werner Sobek entwickelte Technologie des Gradientenbetons. Dieser technologische Ansatz befasst sich erstmalig mit der Optimierung des Bauteilinnenraums und verfolgt das Ziel, die im Bauteil vorherrschenden Spannungsfelder durch die gezielte Platzierung von Hohlräumen zu homogenisieren. Dies ermöglicht die Herstellung von gewichtsminimalen, sortenrein rezyklierbaren und multifunktionalen Bauteilen aus Beton. [Aus: Einführung und Zielsetzung] / For years to come, the construction industry will be faced with the challenge of building habitats and infrastructure systems for an increasing world population – with regard to dwindling resources. This requires the research and development of new, innovative lightweight-construction technologies for the building sector that aim at constructions that are as light as possible, minimize the consumption of fossil-based energy and are designed for recycling [1]. One possibility to meet these requirements in the field of concrete construction is the technology of graded concrete which was invented by Werner Sobek. This technological approach focuses for the first time on the optimisation of the component’s interior and pursues the goal of homogenizing the stress fields prevailing in the component through the targeted placement of cavities. This enables the production of minimal-weight, mono-material and multifunctional components. [Off: Introduction and objectives]