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Untersuchung eines Stoffgesetzes der impliziten Gradientenelastizität

Üngör, Özer (2024)
Untersuchung eines Stoffgesetzes der impliziten Gradientenelastizität.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027788
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Untersuchung eines Stoffgesetzes der impliziten Gradientenelastizität
Language: German
Referees: Tsakmakis, Prof. Dr. Charalampos ; Müller, Prof. Dr. Ralf
Date: 31 July 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 96 Seien
Date of oral examination: 16 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027788
Abstract:

Die Euler-Bernoulli-Theorie der Balkenbiegung in der Technischen Mechanik geht davon aus, dass das Materi- alverhalten isotrop elastisch ist und dass ebene Querschnitte auch unter Belastung eben, starr und senkrecht auf der deformierten Balkenachse bleiben. Es ist bekannt, dass diese Theorie unter Inkonsistenzen leidet. Zum Beispiel ergibt sich aus der angenommenen Kinematik, dass die Scherdehnung in der Ebene der Biegung und damit auch die zugehörige Schubspannung identisch verschwinden. Dies hat aber zur Folge, dass die Gleichge- wichtsbedingungen i. A. nicht erfüllt werden können. Jahrzehnte lang wird die Euler-Bernoulli-Balkentheorie mit Erfolg zur Lösung praktischer Probleme eingesetzt. Als formale Rechtfertigung für die Inkonsitenz wird das Argument gebracht, dass der dabei gemachte Fehler für schlanke Balken vernachlässigbar klein ist. Eine konsistente Euler-Bernoulli-Balkentheorie für klassische Elastizität wurde in der jüngsten Literatur unter der Annahme transversaler Isotropie mit geometrischen Zwangsbedingungen vorgeschlagen. Die Begründung für die transversale Isotropie liegt in der angenommen Geometrie, infolge deren das Materialverhalten entlang der Balkenachse elastisch und senkrecht dazu starr ist. Außerdem stellt die Undeformierbarkeit in der Ebene senkrecht zu der Balkenachse eine geometrische Zwangsbedingung dar. Die konsistente Euler-Bernoulli- Balkentheorie wurde auch auf Stoffgesetze der expliziten Gradientenelastizität erweitert. In der vorliegenden Arbeit werden diese Ansätze der konsistenten Euler-Bernoulli-Balkentheorie weiter verallgemeinert um Stoffgesetze der impliziten Gradientenelastizität zu erfassen. Insbesondere wird ein Materialgesetz betrachtet, dass sowohl Laplace-Ableitungen der Dehnung als auch Laplace–Ableitungen der Spannung enthält. Solche Modelle können als Gegenstücke von Stoffgesetzen für viskoelastische Festkörper interpretiert werden. Von spezieller Bedeutung in der Gradienten Elastizität ist das Problem der korrekten Randbedingungen. An dieses Problem wird in der Arbeit mithilfe geeignet formulierter variationeller Methoden herangegangen. Zur Demonstration der aufgestellten Balkentheorie in der impliziten Gradientenelastizität wird ein eingespannter Balken unter Streckenlast diskutiert und die Ergebnisse mit entsprechenden Ergebnissen infolge klassischer Elastizität und explizierter Gradientenelastizität verglichen. Darüber hinaus wird ein Vergleich mit Ergebnissen infolge Finite Elemente Berechnungen gezogen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The Euler-Bernoulli theory of beam bending in engineering mechanics assumes that the material behavior is isotropically elastic and that plane cross-sections are rigid and remain plane and perpendicular to the deformed beam axis even under load. It is well known that this theory suffers from inconsistencies. For example, it follows from the assumed kinematics that the shear strain in the plane of the bending and thus also the associated shear stress vanishes identically. This implies that the equilibrium equations can not be satisfied generally. For decades, the Euler-Bernoulli beam theory has been used successfully to solve practical problems. As a formal justification, the argument is made that the inconsistencies for slender beams are negligibly small. A consistent Euler-Bernoulli beam theory for classical elasticity has been proposed in the latest literature by assuming transverse isotropy with geometric constraints. Transverse isotropy is justified by the assumed geometry, which implies elastic material behavior along the beam axis and rigid body material properties in the planes perpendicular to the beam axis. In addition, identically vanishing deformation in the plane perpendicular to the beam axis represents a geometric constraint. The consistent Euler-Bernoulli beam theory was also developed for constitutive laws of explicit gradient elasticity. In the present work the consistent Euler-Bernoulli approach is further generalized to capture constitutive laws of implicit gradient elasticity. In particular, a material law is considered that involves both Laplace derivatives of the strain and Laplace derivatives of the stress. Such models can be interpreted as counterparts of material laws for viscoelastic solids. Of special importance in gradient elasticity is the problem of the correct formulation of the boundary conditions. This problem is tackled in the thesis by employing appropriately formulated variational methods. To demonstrate the established beam theory in implicit gradient elasticity, a beam clamped in one side under line load is discussed and the results are compared with corresponding results due to classical elasticity and explicit gradient elasticity. Moreover, a comparison is made with results obtained from finite element calculations.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-277880
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
600 Technology, medicine, applied sciences > 624 Civil engineering and environmental protection engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Mechanics > Continuum Mechanics
Date Deposited: 31 Jul 2024 12:04
Last Modified: 01 Aug 2024 07:32
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27788
PPN: 520245067
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