Die dreidimensionale Formgebung von vliesstoffkaschierten Furnieren als Oberflächen von Zierteilen im Fahrzeug-Innenraum erfolgt über einen Umformprozess. Aufgrund der spröden, anisotropen und variablen mechanischen Eigenschaften von Holz sind Abschätzungen der Umformbarkeit bei neuen Geometrien eine große Herausforderung. Die Auslegung des Umformprozesses erfordert bisher umfangreiche Absicherungsversuche anhand von Prototypen-Werkzeugen. In der vorliegenden Dissertation werden daher numerische Methoden zur Vorhersage der Umformbarkeit von vliesstoffkaschierten Furnieren zur Reduzierung von Material- und Zeitaufwand im Fahrzeugentwicklungsprozess vorgestellt. Die Simulation der Umformung setzt die Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens der kaschierten Furnierstruktur voraus. Der Materialverbund aus Eschenholz-Furnier und Vliesstoffkaschierung wurde dafür zunächst im Zug- und im Scherversuch charakterisiert. Im Nakajima-Versuch wurde das dreidimensionale Deformationsverhalten analysiert, um die Verformungsgrenzen und die wesentlichen Einflussgrößen zu identifizieren. Dies sind vor allem die hohe Anisotropie, die Inhomogenität sowie die Abhängigkeit von den Temperatur- und Feuchtebedingungen. Die Experimente zeigten, dass das lokale Verformungs- und Versagensverhalten von der individuellen Verteilung der Jahrringstruktur abhängt. Auf Basis der Experimente wurden konstitutive Beziehungen und ein Materialmodell abgeleitet. Zur Abbildung von lokalem Versagensverhalten wurde eine Methode zur diskreten Berücksichtigung der Eigenschaften von Früh- und Spätholz in Finite-Elemente-Modellen entwickelt. Dazu wurde ein Zuordnungs-Schema für das Mapping-Tool Envyo eingerichtet, das auf Basis von Grauwertbildern Früh- und Spätholzzonen unterscheidet und auf finite Elemente überträgt. Zur Generierung lokaler Materialparameter wurden über einen Optimierungs-Algorithmus Simulationen des Zug- und des Scherversuchs mit den entsprechenden Kraft-Verschiebungskurven der Experimente kalibriert. Der eingeführte Modellierungsprozess wurde anhand des Versuchsprogramms validiert. Die stochastische Analyse der Verteilungen von Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Simulationen des Zugversuchs, mit variierenden Jahrringstrukturen, lieferte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Experiments. In Simulationen des Nakajima-Tests konnten charakteristische Dehnfelder und Risse sehr gut erfasst werden. Des Weiteren wurde ein Umformprozess eines Bauteils nach dem gängigen Verfahren der Serienfertigung durchgeführt. Dazu wurden Furnierproben mit unterschiedlichen Verteilungen von Früh- und Spätholzzonen ausgewählt und umgeformt. Mit der eingeführten Übertragungsmethode auf Basis von Grauwertbildern dieser Proben wurden Simulationen der Umformung durchgeführt. Die Simulationen zeigten dabei die Faltenbildung, die sich auch im Versuch über die individuelle Verteilung der Frühholzzonen einstellte. Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Dissertation stellen damit die vollständige Prozesskette zur virtuellen Auslegung des Umformprozesses vliesstoffkaschierter Furniere, unter Berücksichtigung von dessen individuellen wachstumsbedingten Eigenschaften, bereit.:1 EINLEITUNG
1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis
1.2 Schwerpunkte und Ziele
1.3 Gliederung der Thesis
2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK
2.1 Einleitung
2.2 Struktureller Aufbau von Holz
2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren
2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche
2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren
2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen
2.4.1 Kinematische Beziehungen
2.4.2 Kinetische Beziehungen
2.4.3 Konstitutive Beziehungen
2.5 Die Finite-Elemente-Methode
2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz
2.7 Schlussfolgerungen
3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN
3.1 Einleitung
3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung
3.2.1 Materialien und Methoden
3.2.1.1 Materialaufbau
3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms
3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad
3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch
3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch
3.2.2 Ergebnisse und Diskussion
3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch
3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch
3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch
3.3.1 Versuchsaufbau
3.3.2 Ergebnisse und Diskussion
3.4 Schlussfolgerungen
4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE
4.1 Einleitung
4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell
4.3 Formulierung von Versagensmechanismen
4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen
4.5 Schlussfolgerungen
5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL
5.1 Einleitung
5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur
5.2.1 Der Mapping-Prozess
5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells
5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz
5.3.1 Methoden
5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation
5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs
5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs
5.3.2 Ergebnisse
5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung
5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung
5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung
5.4 Schlussfolgerungen
6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES
6.1 Einleitung
6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse
6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur
6.2.2 Simulationsergebnisse
6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung
6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs
6.3.2 Simulationsergebnisse
6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche
6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche
6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation
6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells
6.4.2.2 Simulationsergebnis
6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation
6.4.3.1 Modellaufbau
6.4.3.2 Simulationsergebnis
6.5 Schlussfolgerungen
7 FAZIT
8 AUSBLICK
LITERATURVERZEICHNIS
ANHANG / In automotive manufacturing, laminated veneer sheets are being formed into a 3D geometry for the production of trim parts with wood surfaces. Estimations of the formability are challenging due to the brittle, anisotropic and inhomogeneous nature of wood. During the vehicle development process, the design of the forming process requires extensive tests with prototype tools. The present thesis introduces numerical methods for the prediction of the formability of veneers with nonwoven backings in order to reduce expenses for the usage of prototype tools and to rapid the development process. The simulation of the forming process requires adequate modelling of the deformation and failure behavior of the laminated veneer structure. Therefore, ash wood veneers with nonwoven backings were characterized in their principal mechanical properties, in tensile and shear tests. In the Nakajima test the material was analyzed under three-dimensional load to identify the forming limits and the influencing factors on the forming process. These are mainly the anisotropy, the inhomogeneity and the temperature and moisture boundaries. The experimentally obtained data was used to derive constitutive laws and a material model. As found in the experiments, failure and deformation behavior of veneer laminates vary with the individual arrangement of early- and latewood zones over a veneer sheet. Therefore, a discretization method is presented, where local failure and damage modes are considered for finite element models. Within the tool Envyo, a mapping scheme was realized for the transfer of early- and latewood zones from ash wood veneer surfaces to finite element meshes, based on gray scale images. In combination to the separate consideration of early- and latewood zones in the model, a set of material input parameters for both zones was created using numerical optimization methods. The force-displacement response of tensile and shear test simulations was calibrated with the corresponding experimental curves. The introduced modelling procedure was validated with the experimental program. In a stochastic, numerical analysis the same distribution of tensile strength and ultimate strain values with varying early- and latewood arrangements was achieved, compared to the experimental tensile test results. Local fracture as well as the characteristic strain distribution were captured in the model in a very good agreement with results of the Nakajima test. Additionally, a conventional forming process of an interior trim part surface was carried out, using veneer samples with different individual textures originating from the growth ring structure. Gray scale images of those samples were mapped to finite element models to perform the same process numerically. Those forming simulations show the wrinkling behavior, depending on the individual arrangement of earlywood zones, as observed in the hardware forming tests. In summary, the research output of the present thesis provides the whole process chain for the virtual design of the forming process of veneers with nonwoven backings, with consideration of the individual growth-related properties of the veneer structure.:1 EINLEITUNG
1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis
1.2 Schwerpunkte und Ziele
1.3 Gliederung der Thesis
2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK
2.1 Einleitung
2.2 Struktureller Aufbau von Holz
2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren
2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche
2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren
2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen
2.4.1 Kinematische Beziehungen
2.4.2 Kinetische Beziehungen
2.4.3 Konstitutive Beziehungen
2.5 Die Finite-Elemente-Methode
2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz
2.7 Schlussfolgerungen
3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN
3.1 Einleitung
3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung
3.2.1 Materialien und Methoden
3.2.1.1 Materialaufbau
3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms
3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad
3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch
3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch
3.2.2 Ergebnisse und Diskussion
3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch
3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch
3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch
3.3.1 Versuchsaufbau
3.3.2 Ergebnisse und Diskussion
3.4 Schlussfolgerungen
4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE
4.1 Einleitung
4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell
4.3 Formulierung von Versagensmechanismen
4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen
4.5 Schlussfolgerungen
5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL
5.1 Einleitung
5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur
5.2.1 Der Mapping-Prozess
5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells
5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz
5.3.1 Methoden
5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation
5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs
5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs
5.3.2 Ergebnisse
5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung
5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung
5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung
5.4 Schlussfolgerungen
6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES
6.1 Einleitung
6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse
6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur
6.2.2 Simulationsergebnisse
6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung
6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs
6.3.2 Simulationsergebnisse
6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche
6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche
6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation
6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells
6.4.2.2 Simulationsergebnis
6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation
6.4.3.1 Modellaufbau
6.4.3.2 Simulationsergebnis
6.5 Schlussfolgerungen
7 FAZIT
8 AUSBLICK
LITERATURVERZEICHNIS
ANHANG
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:77842 |
| Date | 07 February 2022 |
| Creators | Zerbst, Jonas David |
| Contributors | Cherif, Chokri, Wagenführ, André, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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