Universiẗat, Diss.--Marburg, 1999. / Literaturverz. S. 267 - 295.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Grenzschichtverhalten von Aluminium-Magnesium-Werkstoffverbunden während der Weiterverarbeitung durch Warmumformverfahren. Die Herstellung der Verbunde erfolgt mittels hydrostatischem Strangpressen, was zu einer stoffschlüssigen Verbindung in Form von intermetallischen Phasen führt.Während der weiteren Umformung zerbricht diese Grenzschicht in Fragmente ohne die stoffschlüssige Verbindung zu den Grundwerkstoffen aufzugeben. Die Auswirkungen dieser Fragmentierung auf die Grenzschichtfestigkeit wird mittels verschiedener Biegeversuche untersucht. Eine Eigenspannungsanalyse basierend auf dem Bohrlochverfahren und einer speziellen numerischenAuswertemethode ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Es folgt die Aufstellung eines Fragmentierungskriteriums, das die kritische Streckung für das Einsetzen der Grenzschichtfragmentierung anzeigt. Grundlage bildet eine Vielzahl von Rinnenstauchversuchen mit einer neu entwickelten Probenform. Die nach der Fragmentierung zu beobachtende Grenzschichtkinematik wird mittels numerischer Simulation nachempfunden und so Beanspruchungszustände auf mikroskopischer Ebene zugänglich gemacht.

Die Arbeit beschreibt die skalenübergreifende Modellierung und Simulation des Werkstoffverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit textiler Verstärkungsstruktur, die ausgehend von den konstitutiven Eigenschaften der Verbundbestandteile (Mikroskala) und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund (Mesoskala) die rechnerische Vorhersage des effektiven Materialverhaltens des Verbundes (Makroskala) ermöglicht. Neben Schädigungsprozessen beeinflusst insbesondere das dehnratenabhängige Materialverhalten der polymeren Matrix das mechanische Verhalten des Verbundes. Dieser Einfluss wird anhand verschiedener Glasfaser-Polypropylen-Verbunde numerisch untersucht. Ein viskoplastisches Materialmodell bildet dabei das nichtlineare Materialverhalten von Polypropylen ab. Die Modellierung der textilen Verstärkungsstruktur erfolgt durch Anwendung der erweiterten Finiten-Elemente-Methode (XFEM). Anhand des Vergleichs von rechnerisch und experimentell gewonnenen Ergebnissen erfolgt schließlich die Verifikation der vorgeschlagenen Modellierungsstrategie. / This contribution covers the trans-scale modelling and simulation of the mechanical behaviour of textile-reinforced polymers. Starting from the material properties of the individual constituents (micro-scale) and their geometrical arrangement (meso-scale), the effective material behaviour of the composite (macro-scale) is numerically predicted. In addition to damage processes, the inelastic deformation behaviour of the composite is influenced by the strain-rate dependent material behaviour of the polymeric matrix. This influence is numerically investigated for different glass-fibre-polypropylene composites. A viscoplastic material model accounts for the nonlinear mechanical behaviour of polypropylene. The complex textile reinforcement is modelled by the eXtended finite element method (XFEM). A comparison of computed and experimental results allows for the verification of the proposed modelling strategy.

Mit multiaxialen Gelegen auf Basis der Kettenwirktechnik stehen hervorragende textile Halbzeuge für die Weiterverarbeitung als Verstärkungskomponente in Faser-Kunststoff-Verbunden zur Verfügung. Die bisherige Konfiguration der für die Herstellung dieser Textilien verwendeten Nähwirkmaschinen führt verfahrensbedingt zu einem unsymmetrischen Produktaufbau mit üblicherweise nur einer Fadenlage in Gelegelängsrichtung und ebenso zu Einschränkungen bei der Anordnung des Bindefadens im Textil. Durch die Erweiterung des Nähwirkprozesses wird es möglich, Nähwirkstoffe mit einer beliebigen Abfolge der Einzellagen herzustellen, zum Beispiel in symmetrischer Anordnung. Die neuen Varianten der Lagenanordnung und der Bindungskonstruktion bilden den Ausgangspunkt für die Produktentwicklung am Beispiel zweier Anwendungen aus den Bereichen der Faser-Kunststoff-Verbunde und des textilbewehrten Betons. Hier wird deutlich, dass über die Herstellung symmetrischer Gelege hinaus der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses die Eigenschaften der Gelege und der Endprodukte vorteilhaft beeinflussen kann. Aus den untersuchten Beispielen und grundsätzlichen Betrachtungen leitet sich ab, unter welchen maschinentechnischen Voraussetzungen der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses sinnvoll ist. Es wird ein Konzept entwickelt, auf dessen Grundlage Nähwirkstoffe mit variabler Lagenanordnung auf Nähwirkmaschinen gefertigt werden können. / Multiaxial multi-ply fabrics made by warp knitting are excellently suited for the application in fiber reinforced composites. The usual configuration of the stitch-bonding machines, which are used to produce these fabrics, necessarily leads to composite laminates with an asymmetric layer arrangement and only one layer of yarns in the zero degree direction of the fabric. The variability of patterning with the binding yarn is also limited. By completing the stitch-bonding process with an additional work step it is possible to produce stitch-bonded fabrics without any restrictions concerning the arrangement of the individual layers in the fabric, for example with a symmetric composition. This is the basis for the development of two exemplary products in the fields of textile reinforced plastics and textile reinforced concrete. It can be shown that the application of the extended stitch-bonding process is advantageous beyond the layer arrangement, positively affecting the mechanical properties of the fabric and the composite. From these examples, conclusions are drawn regarding the configuration of future stitch-bonding machines.

Die kontinuumsmechanische Untersuchung der Lastübertragungsmechanismen zwischen den Rovings im textilbewehrten Feinbeton trägt wesentlich zum Gesamtverständnis des mechanischen Verhaltens des Verbundmaterials bei. Neben der Erfassung der gegenseitigen Beeinflussung sich kreuzender Rovings erfordert insbesondere die mechanische Modellierung und numerische Simulation von Bewehrungsstößen und Endverankerungen die Kenntnis dieser Übertragungsmechanismen. Die numerischen Simulationen sollen u. a. zeigen, welche Endverankerungslängen und welche Übergreifungslängen an Bewehrungsstößen erforderlich sind und wie die Querbewehrung die Rissbildung beeinflusst. / This paper concerns with the investigation of stress transfer mechanisms between yarns and concrete matrix and their influence on the overall behavior of textile reinforced concrete (TRC). This investigation considers textile reinforcement splices and textile reinforcement development lengths and carried out by means of Finite-Element simulations and fracture mechanic approaches. A first modeling procedure is made towards analyzing and investigating the damage mechanisms in TRC specimen under tension loading which are mainly characterized by matrix cracking and yarn pullout. This modeling approach allows for considering the yarn crack bridging which is a main characteristic behavior of TRC. In the same manner, 3D Finite-Element models are conducted for calculating the required reinforcement development lengths and the reinforcement overlapping lengths. The conducted approach takes into account different damage mechanisms observed in the corresponding experimental investigations which are also used for calibrating the modeling procedures. Moreover, the presented approach covers a wide range of required textile reinforcement overlapping lengths and development lengths and provides the corresponding ultimate loads.

Experimentelle Untersuchungen an Plattenbalken zeigen, dass Querkraftverstärkungen auch außerhalb der Biegedruckzone verankert werden können. Entscheidend dabei ist, dass alle in der Verbundfuge von Altbeton und Verstärkung auftretenden Beanspruchungen durch die Haftzug- und Scherfestigkeit des Alt- und Feinbetons übertragen werden können. Ein Verbundversagen führt durch das Ablösen der Verstärkungsschicht zu deren Ausfall. Der Beitrag befasst sich mit den Beanspruchungen und Versagensmechanismen des Verankerungsbereiches, die anhand von Versuchsergebnissen dargestellt werden. Als Versagenskriterium für die Verankerung sind zwei flächige Versagensarten – der Altbetonuntergrund und die Ebene der textilen Bewehrung – zu berücksichtigen. Als weiteres Versagenskriterium der Verankerung ist der innere Verbund zwischen den Multifilamentgarnen und der sie umgebenden Feinbetonmatrix zu betrachten. Für die Bemessung des Verankerungsbereiches einer Verstärkung wird der jeweils ungünstigste Wert dieser drei Versagensarten maßgebend.

Textile Reinforced Concrete shows a complex load-bearing behaviour, which depends on material properties of the composite constituents and load transfer mechanisms in between. These properties cannot be modified arbitrarily in experimental investigations, which complicates identification of the impact of certain mechanisms on composite’s behaviour. In this respect, theoretical investigations offer the possibility to study the influence of individual parameters. At first, experimental results of tensile-loaded specimens are given, which help to identify different mechanisms in advance. Afterwards, respective results of numerical calculations with a reduced two-dimensional model are presented to study these mechanisms, including the effects of a reduced stiffness in the cracked state, yarn waviness and tension softening of the cementitious matrix.

Derzeitige Entwicklungen auf dem Gebiet der Antriebstechnik sind einerseits geprägt durch stetig steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit technischer Erzeugnisse und andererseits durch eine zunehmende Verkürzung der Entwicklungs- und Produktlebenszyklen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten in diesem Zusammenhang aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Flexibilität ein außergewöhnliches Potential für den Einsatz in Antriebswellen. Im Bereich der Lasteinleitungssysteme für Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise werden umfassende Untersuchungen zum Schädigungs- und Versagensverhalten bei Torsionsbelastung vorangetrieben. Eine praxistaugliche Methode zur effizienten Gestaltung und Auslegung derartiger hybrider Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise ist derzeit jedoch nicht verfügbar. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Erarbeitung praxistauglicher und werkstoffgerechter Gestaltungs- und Auslegungshinweise für hybride Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise am Beispiel der Pinverbindung erarbeitet. Dafür werden an der Pinverbindung die auftretenden Schädigungs- und Versagensphänomene bei der Einleitung von mechanischen Lasten identifiziert und modellhaft-experimentell untersucht. Basierend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen werden im Ingenieuralltag einsetzbare Gestaltungs- und Auslegungshinweise abgeleitet.:1 Einleitung 1 1.1 Zielstellung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Struktur und Schädigungsverhalten der Pinverbindung unter Torsionslast 11 2.1 Die Pinverbindung als Lasteinleitung in Faserverbund-Antriebswellen . 11 2.2 Fertigungstechnologie und Verbundstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Verformungs- und Schädigungsvorgänge im Lasteinleitungsbereich . . . 23 3 Numerische Beanspruchungsanalyse der Gesamtverbindung 29 3.1 Modellbeschreibung und Simulationsplanung . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Ergebnisdarstellung und -interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4 Experimentelle Schädigungsanalyse und Kennwertermittlung 46 4.1 Planung und Spezifikation der Strukturversuche . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Prüfkörperfertigung und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 Verhalten der Pinverbindung unter Torsionslast . . . . . . . . . . . . . 50 4.4 Ermittlung technologiespezifischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5 Numerische Versagensanalyse 67 5.1 Makroskopische Versagensanalyse der metallischen Lasteinleitung . . . 67 5.1.1 Werkstoffmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.2 Modellierung der Gesamtstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.1.3 Schädigungsanalyse der metallischen Lasteinleitung . . . . . . . 72 5.1.4 Parametervariation und -analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Mesoskopische Versagensanalyse der Faserverbund-Welle . . . . . . . . 79 5.2.1 Skalenübergreifendes FE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.2 Anstrengungen des Laminates im Pineinflussbereich und im freien Wellenbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.3 Ergebnisinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6 Schädigungs- und Versagensbedingungen und Interaktionsanalyse 90 6.1 Relevante Schädigungs- und Versagensmoden und korrelierende Parameter 90 6.2 Formulierung der Versagensbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3 Parameterinteraktionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7 Praxisgerechte Gestaltungs- und Auslegungshinweise 97 7.1 Gestaltungs- und Auslegungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.1.1 Phase 1: Gestaltung und Auslegung der Welle . . . . . . . . . . 99 7.1.2 Phase 2: Gestaltung und Auslegung der Nabe . . . . . . . . . . 102 7.1.3 Phase 3: Auslegung der Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.2 Exemplarische Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8 Zusammenfassung 121 Literaturverzeichnis 123 A Anhang 137 A.1 Experimentelle Schädigungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 A.2 Numerische Schädigungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 A.3 Ergänzungen zur exemplarischen Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . 145 A.4 Ingenieurschaubilder und -tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

The bond between concrete and reinforcing steel is fundamental to the load bearing capacity of reinforced concrete structures. Several experimental studies indicate strength or rather resistance enhancements coming with increasingly dynamic loading. The phenomenon is known as strain or loading rate effect and its causes are still not fully clarified. The work presented herein provides a numerical view of the bond of reinforcement in concrete and investigates its loading rate dependent behaviour. Finite element analyses focusing on structural and inertia effects are carried out. Modelling is conducted at the rib scale, where bond is predominately controlled by mechanical interaction. In the first step, the model is developed and calibrated. Its quality, credibility, and limitations are assessed by a series of numerical case studies and the results are compared with available experimental data. Numerical parametric studies follow. The loading rate dependence of bond is featured, loading rate dependent characteristics are identified, and conclusions on causes of the phenomenon drawn. It is shown that structural effects are strongly involved and the same holds for hydrostatic pressure stress states and inertia effects. The thesis concludes in reviewing currently available methods for incorporating the results into large-scale simulations and highlighting further investigations and developments that are necessary in order to design dynamic loading-resistant structures in the future.

Die im Forschungsprojekt MAI Skelett erarbeitete Skelettbauweise konnte das Potential endlos, kohlenstofffaserverstärkter Thermoplastprofile aufzeigen. Um das gesamte wirtschaftliche Potential dieser Hybridbauweise nutzten zu können, bedarf es der weitergehenden Analyse des parallelen Einsatzes unterschiedlicher Verstärkungsfasern. In dieser Arbeit wird das Verhalten von Kohlenstofffaser-, Glasfaser- und deren Hybridprofilen mit einem Querschnitt von exemplarisch 10 mm x 10 mm unter den Hauptbelastungsarten betrachtet. Hierfür werden die Profile mechanisch charakterisiert und die Übertragbarkeit der Eigenschaften auf reale Bauteile am Beispiel des Windlaufs einer Fahrzeugkarosserie simulativ und experimentell überprüft. Zudem wird eine Materialauswahl, unter Nutzung von Optimierungsalgorithmen, in den Auslegungsworkflow der Skelettbauweise integriert. Diese werden zur Minimierung der Materialkosten bei Einhaltung der mechanischen Randbedingungen genutzt.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Betrachtete Materialien 5 Charakterisierung endlosfaserverstärkter Thermoplastprofile 6 Bauteilauswahl und -optimierung 7 Experimentelle Validierung der Optimierung am Beispiel des Windlaufs 8 Zusammenfassung und Ausblick / The so called „Skeleton Design“ was developed within the research project MAI Skelett. It showed the potential of continuous fiber reinforced thermoplastic materials. In order to exploit the total economic potential of this hybrid design, the parallel usage of different reinforcement fibers must be investigated. In this thesis the mechanical behavior of carbon, glass and hybrid fiber reinforced profiles with a cross-section of exemplary 10 mm x 10 mm under the main loading conditions are examined. These mechanical properties are investigated regarding their potential to be transferred to real parts using experimental testing and simulation. In order to identify suitable parts within the automotive body in white structure a valuation method is developed for objective selection of expedient parts using the load exposure and function of the single part within the whole body in white structure. Furthermore, a material selection method is integrated into the design process of parts in „Skeleton Design“. Therefore, optimization algorithms are used in order to minimize the material costs under mechanical boundary conditions.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Betrachtete Materialien 5 Charakterisierung endlosfaserverstärkter Thermoplastprofile 6 Bauteilauswahl und -optimierung 7 Experimentelle Validierung der Optimierung am Beispiel des Windlaufs 8 Zusammenfassung und Ausblick