Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Der Beulwiderstand ist ein spezifisches Qualitätskriterium von Außenhautteilen der Fahrzeugkarosserie. Er setzt sich zusammen aus Beulfestigkeit und Beulsteifigkeit. Die Beulfestigkeit ist definiert als Widerstandsfähigkeit des Bauteils gegen bleibende Verformungen der Oberfläche durch einwirkende Beullasten. Die Beulsteifigkeit bestimmt vor allem die haptische Qualitätswahrnehmung. Leichtbau-Bestrebungen führen zur Verringerung von Blechdicken auch bei Beplankungsteilen. Während die Beulfestigkeit dabei durch höhere Werkstofffestigkeiten aufrechterhalten werden kann, nimmt die Beulsteifigkeit überproportional stark ab. In der vorliegenden Arbeit wird die Bedeutung unterschiedlicher Steifigkeitsverläufe für die haptische Beurteilung der Bauteilqualität untersucht. Versuche an skalierten PKW-Dächern unterschiedlicher Stahlgüten und Ausreckungsgrade widerlegen tradierte Annahmen zur Korrelation von Kaltverfestigung und Beulsteifigkeit. Gezielte Eingriffe in den Ziehprozess doppelt gekrümmter Blechteile sowie Modifikationen der Randbedingungen bei der Beulprüfung werden erprobt und ihr Einfluss auf das Beulverhalten der Bauteile analysiert. Im Zusammenspiel aus analytischen Berechnungen, numerischen Modellen und physischen Experimenten wird ein neuartiger Lösungsansatz zur Erhöhung der Beulsteifigkeit von Außenhautteilen durch elastische Vorspannung entwickelt, der dem Phänomen der geometrischen Steifigkeit zuzuordnen ist. Die Validierung erfolgt zunächst an einfach gekrümmten Aluminiumblechen, anschließend an einer realen Karosseriebaugruppe. Bei allen Untersuchungen wurde großes Augenmerk auf Geometriegleichheit gelegt. Die vergleichende Beulprüfung von vorgespannten und spannungsfreien Versuchsteilen zeigt eine teilweise signifikante Zunahme der Beulsteifigkeit im Einklang mit den Ergebnissen der numerischen Simulation. Die zum Einsatz kommenden Betriebsmittel und Verfahren sind grundsätzlich geeignet für eine Anwendung in der automobilen Serienproduktion.:Bibliographische Beschreibung Referat Vorwort Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Werkstoffe der Karosserie-Außenhaut 2.1.1 Stahlblechgüten 2.1.2 Aluminiumblechgüten 2.2 Grundlagen der Blechumformung 2.3 Herstellung von Karosserieblechteilen und -baugruppen 2.4 Temperaturexposition von Karosseriebaugruppen 2.5 Beulverhalten von Karosserie-Außenhauteilen 2.5.1 Beulprüfung 2.5.2 Beulfestigkeit 2.5.3 Beulsteifigkeit 2.5.4 Abgrenzung von „Oilcanning“ und „Springbeulen“ 2.5.5 Ausdehnung der lokalen Beule 2.5.6 Untersuchungen von Asnafi und Vlahovic 2.6 Abhängigkeit des E-Moduls von Formänderung und Wärmebehandlung 2.6.1 Veränderlichkeit des E-Moduls bei Stahlwerkstoffen 2.6.2 Verhalten des E-Moduls von Aluminiumwerkstoffen 2.7 Versteifung durch Vorspannung und geometrische Steifigkeit 3 Motivation und Zielstellung 4 Beulprüfstand am ZUK 4.1 Aufbau, Funktion und Komponenten 4.2 Beschaffenheit des Indenters 4.3 Beschaffenheit der Prüfteilaufnahme 4.4 Steifigkeitsnachweis für das Gesamtsystem 4.5 Methodik zur Durchführung und Auswertung der Beulversuche 4.5.1 Durchführung der Versuche 4.5.2 Bereinigung und Auswertung der Messdaten 5 Grundlegende Voruntersuchungen 5.1 Subjektive Wahrnehmung der Beulsteifigkeit 5.2 Untersuchungen an skalierten Dachbeplankungen aus Stahl 5.2.1 Festlegung der elastischen Grenzbeultiefe 5.2.2 Sensitivitätsanalysen der Beulprüfung 5.2.3 Vermessung der Bauteile 5.2.4 Einfluss der Ausreckung auf die Beulsteifigkeit 5.2.5 Interpretation der Ergebnisse 5.3 Untersuchungen an doppelt gekrümmten Bauteilen ohne Vorspannung 5.3.1 Versuche zur Herstellung gezielt inhomogen ausgereckter Bauteile 5.3.2 Beulsteifigkeit und Beulfestigkeit unterschiedlich stark ausgereckter Bauteile 5.3.3 Beulsimulation mit AutoForm 5.3.4 Einfluss des E-Moduls auf die Beulsteifigkeit von Stahl- und Aluminiumblechteilen 5.4 Untersuchungen an rundgewalzten Bauteilen unter Vorspannung 5.4.1 Rundgewalzte Bauteile in freier Überbiegung 5.4.1.1 Elementare Berechnungsgrundlagen 5.4.1.2 Versuchsdurchführung und -ergebnisse 5.4.2 Rundgewalzte Bauteile bei zweiseitiger Zwangseinspannung 5.4.3 Rundgewalzte Bauteile in umlaufender Zwangseinspannung 5.4.4 Spannvorrichtung für einfach gekrümmte Teile 5.4.5 Versuche mit Spannvorrichtung 5.5 Untersuchungen an doppelt gekrümmten Bauteilen unter Vorspannung 5.5.1 Erzeugung der Vorspannung 5.5.2 Bauteilvermessung und Krümmungsanalyse 5.5.3 Beulprüfung und -ergebnisse 5.5.4 Korrelation von Krümmung, Vorspannung und Beulsteifigkeit 5.6 Numerische Berechnungen an doppelt gekrümmten, vorgespannten Bauteilen mit ANSYS 5.6.1 Modellierung und Berechnung eines realen Versuchsteils 5.6.2 Modellierung und Berechnung eines idealisierten Bauteils 5.7 Fazit der Voruntersuchungen 6 Lösungsansatz zur spannungsbasierten Erhöhung der Beulsteifigkeit 6.1 Plausibilisierung des semi-analytischen Modells mit dem Ritz-Raleigh-Verfahren 6.1.1 Entwicklung der Ausgangsgeometrien 6.1.2 Ermittlung der Dehnungen und Spannungen unter Vorspannung 6.1.3 Berechnung der Beulantwort 6.1.4 Teilautomatisierte Berechnung in MuPAD 6.1.5 Durchführung und Ergebnisse der semi-analytischen Berechnungen 6.2 Plausibilisierung des semi-analytischen Modells mit numerischen Methoden 6.2.1 Validierung des Elementtyps SHELL181 6.2.2 Numerische Berechnung und Vergleich der Ergebnisse mit dem semi-analytischen Modell 6.3 Fazit der semi-analytischen und numerischen Berechnungen 7 Anwendung steifigkeitserhöhender Vorspannungen auf einfach gekrümmte Bauteile 7.1 Verfahrensentwicklung zur Bauteilherstellung 7.2 Entwicklung der Formvorrichtung 7.2.1 Numerische Absicherung 7.2.2 Konstruktion der Formvorrichtung 7.2.3 Anfertigung und Erprobung 7.3 Bauteilherstellung und -charakterisierung 7.4 Beulprüfung und Ergebnisse 7.4.1 Initial- und Sekantensteifigkeit 7.4.2 Beulfestigkeit 7.5 Numerische Simulation 7.5.1 Vernetzung des Blechs 7.5.2 Erzeugung der Vorspannung 7.5.3 Simulation der Beulprüfung 7.5.4 Analyse der Beulgeometrie 7.6 Untersuchung des Temperatureinflusses auf die Vorspannung 7.6.1 Ergebnisse der Beulprüfung 7.6.2 Ergebnisse der Geometrievermessung 7.7 Fazit der Untersuchungen an relaxationsgeformten Aluminiumteilen unter Vorspannung 8 Validierung an einer realen Karosserie-Baugruppe 8.1 Auswahl des Realbauteils 8.2 Auswahl und Charakterisierung des Versuchsmaterials 8.3 Parameterstudie Blechdicke und E-Modul 8.4 Herstellung der Dachbeplankung in Sollform 8.4.1 Ziehen, Beschneiden und Abkanten 8.4.2 Formänderungsanalyse und optische Vermessung 8.5 Geometrieentwicklung der Dachbeplankung in Fehlstellung 8.5.1 Verfahrensentwicklung zur Fehlstellungserzeugung und -rückführung in die Sollform 8.5.2 Beulverhalten unter Einbeziehung von Ausdünnung und elasto-plastischem Materialverhalten 8.6 Herstellung der Dachbeplankung in Fehlstellung 8.6.1 Wirkflächenentwicklung für die Realteile mit AutoForm R6 8.6.2 Betriebsmittelbau und Bauteilherstellung 8.7 Herstellung von ZSBs mit spannungsfreier und spannungsbehafteter Beplankung 8.8 Vergleichende Beulprüfung 8.8.1 Beulsteifigkeit 8.8.2 Beulfestigkeit 8.8.3 Oilcanning und Springbeulen 8.8.4 Elastische Nachgiebigkeit des ZSB 8.8.5 Vergleich von Simulation und Experiment und Simulation 8.9 Fazit der Validierung an realen ZSBs 9 Zusammenfassung und Ausblick 10 Literaturverzeichnis Anhang A Anhang B Anhang C Anhang D

Magneto-sensitive elastomers (MSEs) establish a special class of smart materials, which are able to change their shape and mechanical behavior under external magnetic field. Nowadays, MSEs are one of the most perspective smart materials, since they can be used for design of functionally integrated lightweight structures in sensors, robotics, actuators and damper applications. MSEs typically consist of micron-sized magnetizable particles (e.g. carbonyl iron) dispersed within a non-magnetic elastomeric matrix. The spatial distribution of magnetic particles in MSEs can be either isotropic or anisotropic, depending on whether they have been aligned by an applied magnetic field before the cross-linking of the polymer. Depending on the magnetic properties of the particles, their shape, size and spatial distribution, the MSEs can exhibit different mechanical behavior. Most experimental studies show that MSEs with isotropic distribution of magnetic particles demonstrate a uniaxial expansion along the magnetic field. On the other side, it was shown experimentally that MSEs with anisotropic particle distributions demonstrate a uniaxial contraction along the magnetic field. Also, the experimental works show that the shear moduli of MSEs increase with increasing strength of the magnetic field and depend on the magnetic properties, volume fraction and spatial distribution of particles. Different analytical approaches were used in theoretical studies of the mechanical behavior of MSEs. They can be roughly classified as phenomenological, continuum-mechanics and microscopic approaches. In the phenomenological approaches, the expansion into a series of the shear modulus as a function of the strength of the magnetic field has been proposed, the coefficients of the expansion being considered as phenomenological fitting parameters. In the continuum-mechanics approach, an MSE is considered as continuous magnetic media. It allows us to determine the shape and the change in volume of a spherical MSE sample, placed in a uniform magnetic field. However, this approach is restricted to homogeneous particle distributions. The microscopic approach has a clear advantage, while a discrete particle distribution and pair-wise interactions between induced magnetic dipoles can be considered explicitly. The aim of the present work is to develop a microscopic theory, which properly describes the mechanical behavior of MSEs in the external magnetic field. The theory takes a microscopic structure, finite shape of the samples and magneto-mechanical coupling between particle positions and sample deformation explicitly into account.

Polymersomes are at the leading edge of biomedical and nanoparticle research. In order to get closer insights into their mechanical properties, the bilayer forming them needs to be studied thoroughly. Here, we report on the bilayer formation, swelling behaviour, rigidity and fluidity of our membranes derived from pH sensitive and photo-cross-linkable polymersomes.

Magneto-sensitive elastomers (MSEs) establish a special class of smart materials, which are able to change their shape and mechanical behavior under external magnetic field. Nowadays, MSEs are one of the most perspective smart materials, since they can be used for design of functionally integrated lightweight structures in sensors, robotics, actuators and damper applications. MSEs typically consist of micron-sized magnetizable particles (e.g. carbonyl iron) dispersed within a non-magnetic elastomeric matrix. The spatial distribution of magnetic particles in MSEs can be either isotropic or anisotropic, depending on whether they have been aligned by an applied magnetic field before the cross-linking of the polymer. Depending on the magnetic properties of the particles, their shape, size and spatial distribution, the MSEs can exhibit different mechanical behavior. Most experimental studies show that MSEs with isotropic distribution of magnetic particles demonstrate a uniaxial expansion along the magnetic field. On the other side, it was shown experimentally that MSEs with anisotropic particle distributions demonstrate a uniaxial contraction along the magnetic field. Also, the experimental works show that the shear moduli of MSEs increase with increasing strength of the magnetic field and depend on the magnetic properties, volume fraction and spatial distribution of particles. Different analytical approaches were used in theoretical studies of the mechanical behavior of MSEs. They can be roughly classified as phenomenological, continuum-mechanics and microscopic approaches. In the phenomenological approaches, the expansion into a series of the shear modulus as a function of the strength of the magnetic field has been proposed, the coefficients of the expansion being considered as phenomenological fitting parameters. In the continuum-mechanics approach, an MSE is considered as continuous magnetic media. It allows us to determine the shape and the change in volume of a spherical MSE sample, placed in a uniform magnetic field. However, this approach is restricted to homogeneous particle distributions. The microscopic approach has a clear advantage, while a discrete particle distribution and pair-wise interactions between induced magnetic dipoles can be considered explicitly. The aim of the present work is to develop a microscopic theory, which properly describes the mechanical behavior of MSEs in the external magnetic field. The theory takes a microscopic structure, finite shape of the samples and magneto-mechanical coupling between particle positions and sample deformation explicitly into account.

The variation of rock strength and stiffness, known as mechanical anisotropy, is expected at different scales: large (rock mass) - or small (intact rock) - scales. It is always mandatory for engineering applications built either on or in anisotropic rock masses to investigate the strength and deformation behavior of those masses. To achieve this goal, continuum-based constitutive models are presented to analyze the mechanical anisotropy. One of both implemented models is named ‘Transubi model’ which considers the transverse isotropic elasticity into bi-linear Mohr-Coulomb strain hardening/softening plastic framework. Experimental investigations and numerical simulations focused mainly on the influence of the mechanical anisotropy on the plastic zoning around excavated openings in laminated rocks. Later, the Transubi model was applied to a tunnel excavated in a shaly facies formation of bedded argillaceous Opalinus clay in an URL (FE-tunnel) to obtain the short-term stability insights. Overall, the research outcomes may have a prospective impact regarding the understanding of anisotropy of laminated, bedded and foliated rocks which improves the deformation behaviour predictability using continuum-based numerical modeling tools.

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Oil lubrication film plays an important role in analysis of dynamic behavior of the internal gear motors and pumps. During operation, the oil film is considered as the spring and damping system. Therefore, calculation of the dynamic stiffness and damping coefficients is necessary to build the mathematical model for studying of dynamic problem. In order to calculate these coefficients, the dynamic pressure and perturbing pressure distribution must be determined firstly. In this paper, the infinitesimal perturbation method (IFP) is used to calculate the dynamic pressure distribution. Based on that the dynamic stiffness and damping coefficients can be computed. The calculation results point out that the dynamic stiffness and damping coefficients are much dependent on the eccentricity ratio.

This contribution describes the properties and limitations of multi-layered mechanical devices with variable flexural stiffness. Such structures are supposed to be components of new smart, self-sensing and self-controlling composite materials for lightweight constructions. To enable a proper stiffness control, reliable actuators with high actuation capabilities based on smart materials are used. Those actuators are either driven by electroactive polymers (EAPs) or shape memory alloy (SMA) wires. They control the area moment of inertia of the multi-layered bending structures. To change the area moment of inertia and, hence, the flexural stiffness of an multi-layered beam within a wide range, it is necessary to stack as many layers as possible over each other. The fundamental function of this approach is demonstrated with a three-layer stack consisting of three independent layers and four form closure actuators driven by SMAs. This experimental set-up was able to change its bending stiffness k by a factor of 14.6, with a minimum and maximum stiffness of kmin = 0.11 N mm¯¹ and kmax = 1.73 N mm¯¹, respectively. The usage of four independently controllable actuators yields nine independent flexural-stiffness states of the beam. Both analytical and numerical calculations have shown good agreement with the measured stiffness values.

Schlüsselfaktoren der bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von Knochen sind seine komplexe hierarchische Struktur und chemische Zusammensetzung. Ziel dieser Dissertation war die simultane Untersuchung von Materialkomposition und 3D Struktur in Relation zu lokalen elastischen Eigenschaften von Knochengewebe unter Verwendung von neuen hochauflösenden experimentellen Konzepten. Im ersten Teil wurde polarisierte Raman Spektroskopie (PRS) eingesetzt um gesunden humanen kortikalen Knochen zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass sich PRS eignet, um sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die 3D Organisation der Kollagenfasern in einer Messung aufzuklären. Dominante Faserorientierungen ganzer Gewebedomänen konnten identifiziert und mit der Koexistenz zweier Faserorganisationsmuster verknüpft werden. Durch Kombination derPRS Experimente mit ko-lokalisierten Synchrotron-Phasenkontrast-Nano-Tomografie- undUltraschallmikroskopie-Messungen wurde eine komplementäre Untersuchung von Faserarchitektur, chemischer Komposition und elastischen Eigenschaften einzelner Knochenlamellen ermöglicht. Die multimodale Analyse ergab, dass die charakteristischen lamellären Ondulationen der Elastizität in erster Linie durch sich lokal ändernde Faserorientierungen bedingt werden und nicht durch Variationen der Materialzusammensetzung, Abweichungen der Mineralkristallpartikeleigenschaften oder durch Fluktuationen der Massendichte. Im letzten Teil wurde mittels akustischer Mikroskopie der Einfluss der Mutation des Neurofibromin 1 Genes auf die pathologische Entwicklung von mechanischen Knocheneigenschaften untersucht. Anhand zweier Knockout-Mausmodelle wurde festgestellt, dass nur eine Mutation in frühen mesenchymalen Vorläuferzellen die Steifigkeit der langen Röhrenknochen signifikant beeinträchtigt. Perspektivisch eignet sich der vorgestellte multimodale Ansatz für nicht-destruktive Charakterisierung eines breiten Spektrums biologischer und synthetischer Faserverbundwerkstoffe. / Key factors determining the remarkable mechanical performance of bone are its material composition and complex hierarchically structure. The aim of this thesis was the concurrent investigation of the chemical composition and 3D structure of bone tissue in relation to the local elastic properties by introducing novel high resolution experimental approaches. In the first part, polarized Raman spectroscopy (PRS) was applied to analyze healthy human cortical bone. In particular, it was demonstrated that PRS can be employed to simultaneously investigate the chemical composition and the 3D organization of collagen fibrils in a single experiment. Predominant fibril orientations in entire tissue domains were identified and linked to the coexistence of two fibril organization patterns. To further extend the analysis, PRS experiments were combined with synchrotron X-ray phase contrast nano tomography and scanning acoustic microscopy measurements in a site-matched study design. This multimodal approach enabled complementary imaging of the fibrillar architecture, tissue composition and resulting elastic properties of single bone lamellae. In line with earlier studies, crosscorrelation analysis strongly suggested that the characteristic elastic undulations of bone lamellae are the result of the twisting fibrillar orientation, rather than compositional variations, modulations of the mineral particle maturity, or mass density fluctuations. Finally, acoustic microscopy was applied to analyze the impact of the neurofibromin 1 gene mutation on the pathologic development of the mechanical properties of bone. Analysis of two knock-out mouse models revealed that only Nf1 ablation in early mesenchymal progenitor cells significantly impairs the elastic stiffness of long bones. In future studies, the presented multimodal methodology can be translated for non-destructive and high resolution characterization of a broad range of biological and synthetic fiber composite materials.