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Virtuelle Lebensdaueranalyse von Leichtbau-Strukturen unter Berücksichtigung des Steifigkeitsverhaltens im Betrieb

Rösch, Peter (2019):
Virtuelle Lebensdaueranalyse von Leichtbau-Strukturen unter Berücksichtigung des Steifigkeitsverhaltens im Betrieb.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009474,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Virtuelle Lebensdaueranalyse von Leichtbau-Strukturen unter Berücksichtigung des Steifigkeitsverhaltens im Betrieb
Language: German
Abstract:

Im Fahrzeugentwicklungsprozess beeinflussen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen maßgeblich die Dimensionierung von Bauteilen und Strukturen. Um die Gewichtsziele eines Fahrzeugs zu erreichen, ist ein konsequenter Leichtbau unter Verwendung von unterschiedlichen, teils innovativen Werkstoffen (beispielsweise kohlefaserverstärkter Kunststoff) und Fügeverbindungen unerlässlich. Sowohl in aktuellen Fahrzeuggenerationen als auch in zukünftigen Multimaterialkonzepten werden die Verbindungstechnologien Widerstandsschweißen und Kleben eingesetzt. Im Fahrzeugbetrieb kann, insbesondere in hochbeanspruchten Bereichen, die Schädigung des Materials bzw. der Verbindung eine Steifigkeitsänderung hervorrufen. Diese wird von Faktoren wie z.B. dem Ausnutzungsgrad, der Beanspruchungsart oder -häufigkeit beeinflusst. Die resultierende Änderung der lokalen Steifigkeit kann zu einer Umlagerung des Lastpfads in der betrachteten Struktur führen. Eine pauschale Aussage über den Einfluss auf die Betriebsfestigkeit kann nicht gegeben werden. Die in der klassischen Betriebsfestigkeitsanalyse verwendete, quasi-statische Superposition von Einheitslastfällen und zugehörigen Zeitfolgen, ist durch die Änderung des lokalen Beanspruchungszustandes nur noch eingeschränkt anwendbar. Der Einfluss des Einzeleffektes Degradation auf größere Strukturen, Zusammenbauten oder eine Gesamtfahrzeugkarosserie ist bisher weitestgehend unerforscht.

An Detailproben wurden in der Literatur zahlreiche experimentelle Untersuchungen zum Steifigkeitsverhalten von Verbindungselementen und CFK-Komponenten durchgeführt. An Strukturen liegen lediglich einzelne vereinfachte experimentelle Untersuchungen vor. Für CFK-Komponenten stehen Berechnungsmethoden zur Verfügung, welche an Detailproben validiert und in kommerziell erhältliche Software umgesetzt wurden. Zur Berücksichtigung der Änderung des lokalen Steifigkeitsverhaltens wird ein schrittweises Vorgehen vorgeschlagen, welches jeweils ab einem festzulegenden Wert der lokalen Steifigkeitsänderung, eine Anpassung des FE-Modells erfordert. Diese ist über eine Änderung von Materialparametern, Geometrie oder der Anwendung von Steifigkeitsreduktionsfaktoren möglich. Zur Beschreibung der Degradation wird ein verallgemeinertes Verhalten je Verbindungstechnik abgeleitet. Dieses verallgemeinerte Verhalten beschreibt die erforderliche Steifigkeitsreduktion als Funktion des Schädigungszustandes und wird für die relevanten Randbedingungen, wie z.B. der Beanspruchungsart, parametrisiert. Die relevanten Parameter zur Beschreibung des Steifigkeitsverhaltens werden, basierend auf einer Vielzahl an experimentellen Untersuchungen auf Probenebene, analysiert und bzgl. ihres Beitrages zur Steifigkeitsänderung bewertet. Zudem werden experimentelle Untersuchungen an bauteilähnlichen Strukturen und Subsystemen bzw. Teilkarossen durchgeführt. Dabei werden unterschiedlichste Messmethoden verwendet, um das Steifigkeitsverhalten, den lokalen Beanspruchungszustand und mögliche Lastpfadumlagerungen zu erfassen.

Die Berücksichtigung von Steifigkeitsänderungen der benannten Verbindungstechniken in der virtuellen Lebensdaueranalyse war bislang allenfalls rudimentär möglich. Insbesondere für Kleb- und Punktschweißverbindungen werden neuartige Bewertungsansätze zur Bewertung der Reststeifigkeit entwickelt und angewendet. Das neu entwickelte Verfahren bietet zum ersten Mal die Möglichkeit einer gesamthaften Simulation von Steifigkeitsänderungen in Leichtbau-Strukturen. Die Bewertung und der Vergleich von Experiment und Numerik ermöglicht eine Überprüfung der entwickelten Methodik auf einem bisher kaum erforschten Feld der Betriebsfestigkeit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Strength and stiffness requirements highly influence the design of components and structures in the vehicle development process. To achieve the increasing weight-reduction goals of a vehicle a lightweight design is inevitable. Therefore different and (partly) innovative joining techniques and materials are necessary. Resistance spot welding and structural adhesives are one of the main joining techniques used in the vehicle assembly process not only in current but also in future vehicle's body in white. Under cyclic loading in combination with high local stress levels a change in the local stiffness of connection points, adhesive lines or carbon fiber reinforced plastics can be observed. The height of the stiffness degradation is determined by multiple factors such as the load level, local stress states or additional thermal loading. As a result of the local stiffness degradation a change of the structure’s load path can occur. In that case the superposition of unit load cases with their corresponding load time series is not applicable any longer. The consequences for the structural durability cannot be predetermined and have not been investigated for larger structures e.g. a complete vehicle's body in white. Using detail specimens and simplified structures numerous experimental results describing the stiffness degradation of carbon fiber reinforced plastics or connecting elements have been obtained. For carbon fiber reinforced plastics a computation methodology is available which simulates the stiffness degradation of smaller specimens. In order to simulate the stiffness degradation, a stepwise computation is proposed, which changes the stiffness-tensor of the finite element simulation after a certain degradation threshold is reached. Based on experimental results a generalized behavior is derived, which links the local stiffness degradation to a damage value (e.g. accumulated damage). The proposed approach is derived for each joining technique depending on several experimentally obtained material parameters, loading conditions and additional factors. A verification is conducted using not only component-like specimens but also complete vehicle tests. Different measuring techniques are applied in order to evaluate the local stiffness degradation, changes in the load path and its effects on larger structures. A structural durability simulation with regard to stiffness changes of the mentioned joining techniques was only available in a very rudimentary form. Therefore a novel computation approach is presented and verified using small and big-scale models and tests. The presented approach enables for the first time a degradation simulation and the assessment of the degradation effect on a complete vehicle’s body in white.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
Date Deposited: 18 Dec 2019 15:27
Last Modified: 18 Dec 2019 15:27
DOI: 10.25534/tuprints-00009474
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94745
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias and Oechsner, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 24 September 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9474
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