@phdthesis{Doynov2023, author = {Doynov, Nikolay}, title = {Hybride Modelle f{\"u}r Verzugs- und Eigenspannungsberechnung von großen und komplexen Schweißkonstruktionen}, doi = {10.26127/BTUOpen-6453}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64536}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2023}, abstract = {Das Schweißen f{\"u}hrt zu einer lokalen, ungleichm{\"a}ßigen Erw{\"a}rmung der F{\"u}gestelle. Die dadurch hervorgerufenen lokalen plastischen Verformungen und metallurgischen Werkstoffver{\"a}nderungen bewirken nach der Abk{\"u}hlung bleibenden Verzug und Eigenspannungen. Diese beeinflussen die reibungslose Durchf{\"u}hrung des Fertigungsprozesses und die Qualit{\"a}t der geschweißten Konstruktion und schließlich stellen letztlich deren Einsatz in Frage. Somit steht f{\"u}r die meisten Industrieanwendungen die gesicherte Minimierung bzw. Beherrschung des Schweißverzuges und der Schweißeigenspannungen, insbesondere bei großen Konstruktionen im Vordergrund. Mittels der Vorkenntnis {\"u}ber den zu erwartenden Verzug und die Entwicklung der Eigenspannungen w{\"a}hrend und nach dem Schweißen k{\"o}nnen zum einen geeignete Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Einspannszenarien, Vorverformungen oder Schweißreihenfolgen sowie eine gezielte Vor-, Zwischen- oder Nachw{\"a}rmebehandlung zweckm{\"a}ßig gew{\"a}hlt werden. Zum anderen ist es m{\"o}glich, die darauffolgenden notwendigen Nachbehandlungen, wie z.B. das thermische Richten, schon in einem sehr fr{\"u}hen Stadium des Produktentwicklungsprozesses vorauszuplanen. Demzufolge besteht seitens der Forschung ein sehr großes Interesse an der Entwicklung verl{\"a}sslicher Modelle und Methoden zur Schweißverzugs- und Eigenspannungsberechnung. Die vorliegende Habilitationsschrift befasst sich mit den theoretischen Grundlagen und den simulationstechnischen Aspekten der Schweißverzug- und Eigenspannungsberechnung von großen komplexen Schweißkonstruktionen. Im Mittelpunkt stehen die analytisch-numerische Hybridmodelle. Diese bestehen aus einem analytischen Teil f{\"u}r die lokale thermomechanische Berechnung und einen numerischen Teil f{\"u}r die globale strukturmechanische Berechnung. Die beiden Teilaufgaben sind stark gekoppelt. Der Schwerpunkt liegt in der Weiteentwicklung und in den Umsatzm{\"o}glichkeiten des analytischen Ansatzes. Dar{\"u}ber hinaus wird die Anwendung der Hybriden Modellierung zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen in praxisrelevanten Schweißkonstruktionen an zahlreichen Beispielen demonstriert. Die Aspekte der Einbringung der Simulation in die Fertigungs- oder Produktkette werden ebenso thematisiert.}, subject = {Schweißsimulation; Eigendehnung; Schweißverzug; Schweißeigenspannungen; Vortgeschrittene Schweißfertigung; Computational welding mechanics; Inherent strain; Welding distortions; Welding residual stresses; Advanced welding manufacturing; Schweißen; Schweißspannung; Thermomechanik; Strukturmechanik; Tragf{\"a}higkeit; Richten ; Intelligente Fertigung; Computersimulation; Konzeptionelle Modellierung}, language = {de} } @phdthesis{Sparr2023, author = {Sparr, Holger}, title = {Thermomechanische Analyse von inelastischen Deformationsvorg{\"a}ngen bei komplexer Beanspruchung in Modellierung und Experiment}, doi = {10.26127/BTUOpen-6419}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64197}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2023}, abstract = {Anwendbare Materialgesetze im Rahmen der ph{\"a}nomenologischen Kontinuumsmechanik sind durch die ber{\"u}cksichtigten Deformationsmechanismen gepr{\"a}gt und sind in der Regel f{\"u}r einen anzugebenden G{\"u}ltigkeitsbereich einsatzf{\"a}hig. Die verwendeten mathematischen Werkzeuge geben einen ausreichenden Anpassungsspielraum experimenteller Daten, beziehen jedoch die Physikalit{\"a}t des Materialgesetzes bedingt ein, da der thermodynamische Prozess der Deformation als n{\"a}herungsweise isotherm behandelt wird. In dieser Arbeit wird der Deformationsvorgang unter mechanischer Last als vollst{\"a}ndiger thermodynamischer Prozess verstanden, der eine Temperaturentwicklung im Werkstoff einbezieht und die kalorischen Zustandsgr{\"o}ßen auswertet. Die Konzepte der Kontinuumsthermomechanik werden in der Beschreibung f{\"u}r thermodynamisch konsistente Materialgesetze genutzt. Die zugeh{\"o}rigen, mikrostrukturell motivierten Entwicklungsgr{\"o}ßen beschreiben das nichtlineare Verhalten f{\"u}r eine große Bandbreite von Materialklassen und in komplexen Belastungspfaden. Um dies f{\"u}r die Ermittlung geeigneter Materialgesetze nutzbar zu machen wird die Infrarotthermografie f{\"u}r die Ermittlung der Oberfl{\"a}chentemperatur in den Messablauf integriert. Hauptaugenmerk liegt auf dem technisch relevanten Anwendungsbereich der kleinen Deformationsgradienten bei Raumtemperatur. Anhand charakteristischer Belastungspfade f{\"u}r metallische Konstruktionswerkstoffe wird gezeigt, dass die Dynamik der Deformationsmechanismen sich in der Spannungs-Dehnungs-Charakteristik, in der Temperaturentwicklung und bei den kalorischen Zustandsgr{\"o}ßen signifikant widerspiegeln. Dies trifft insbesondere auch dann zu, wenn die Versuchsanforderungen minimiert werden und die gemessenen Temperatur{\"a}nderungen klein sind. Die Ergebnisse der Arbeit weisen mit der Erweiterung des ver{\"a}nderlichen Temperaturfeldes einen Zugewinn in der Physikalit{\"a}t der thermodynamisch konsistenten Materialgesetze nach.}, subject = {Thermomechanik; Infrarotthermografie; Viskoplastizit{\"a}t; Eigenerw{\"a}rmung; Thermomechanics; Infrared Thermography; Viscoplasticity; Self-heating; Thermomechanik; Eigenerw{\"a}rmung; Viskoplastizit{\"a}t; Infrarotthermographie}, language = {de} } @phdthesis{Schob2022, author = {Schob, Daniela}, title = {Experimentelle Untersuchung und numerische Simulation des Material- und Sch{\"a}digungsverhaltens von 3D gedrucktem Polyamid 12 unter quasistatischer und zyklischer Beanspruchung}, doi = {10.26127/BTUOpen-6216}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62167}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2022}, abstract = {F{\"u}r Polymerbauteile hat sich in der industriellen Anwendung das pulverbettbasierte selektive Lasersintern etabliert. Durch den schichtweisen Aufbau k{\"o}nnen hochkomplexe Geometrien f{\"u}gestellenfrei gefertigt und Funktionen direkt bei der Fertigung integriert werden. Durch fertigungstechnologische Grenzen sind additiv gefertigte Bauteile jedoch noch nicht auf dem Niveau von konventionell hergestellten und stehen vor der großen Herausforderung als Konstruktionswerkstoff Anwendung zu finden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung eines Berechnungsmodells f{\"u}r additiv gefertigtes Polyamid 12, das das Material- und Sch{\"a}digungsverhalten unter quasistatischen und zyklischen Beanspruchungen abbildet, unter Ber{\"u}cksichtigung der fertigungstechnologischen Gegebenheiten. Die vorliegende Dissertationsschrift widmet sich dabei zun{\"a}chst einer systematischen experimentellen Materialcharakterisierung. Den Grundbaustein daf{\"u}r bildet die Materialklassifizierung in Abh{\"a}ngigkeit der Gleichgewichtszust{\"a}nde, gefolgt von quasistatischen und zyklischen Versuchen. Um Kenntnisse {\"u}ber das Materialgef{\"u}ge zu erlangen, werden die Untersuchungen durch Mikrostrukturanalysen mittels Refraktions- und Computertomographie-Untersuchungen erg{\"a}nzt. Auf dieser Grundlage folgt die ph{\"a}nomenologische Materialmodellierung, mit dem Fokus auf die elastisch-viskoplastische Materialtheorie und der Kopplung mit einem Modell der Sch{\"a}digungsmechanik. Die Basis liefern Modellierungsans{\"a}tze, die bisher zumeist f{\"u}r metallische Werkstoffe Anwendung fanden und in der vorliegenden Arbeit adaptiert und weiterentwickelt werden. Die Umsetzung durch ein Konstitutivmodell umfasst isotrope und kinematische Verfestigung sowie statische und dynamische Erholung. F{\"u}r die Prognose des Sch{\"a}digungsverhaltens werden Porenwachstum, -nukleation sowie Kolaeszenz beachtet. Die Modellparameter werden mittels Sensitivit{\"a}tsanalyse und Optimierung anhand der Versuchsdaten des Polyamid 12 identifiziert und validiert. Die Verifikation des entwickelten Berechnungsmodells mit Versuchen, die nicht f{\"u}r die Parameteridentifizierung verwendet werden, zeigt, dass das reale Material- und Sch{\"a}digungsverhalten von Polyamid 12 mit hoher Genauigkeit abgebildet wird.}, subject = {Additive Fertigungsverfahren; Selektives Lasersintern; Materialmodell; Sch{\"a}digungsmodell; Chaboche; Additive manufacturing; Selective laser sintering; Material model; Polyamid 12; Rapid Prototyping (Fertigung); Selektives Laserstrahlsintern; Damage model; Gurson-Tvergaard-Needleman; Kunststoffpr{\"u}fung}, language = {de} } @phdthesis{Popiela2025, author = {Popiela, Bartosz Maciej}, title = {Einfluss fertigungsbedingter Eigenspannungen auf die Betriebssicherheit von nassgewickelten Composite-Druckbeh{\"a}ltern mit einem nichttragenden Liner}, doi = {10.26127/BTUOpen-7238}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72383}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2025}, abstract = {Im Hinblick auf die globale Herausforderung der Energietransformation steigt der Bedarf an M{\"o}glichkeiten zur Energiespeicherung. Eine Technologie, die zunehmend in den Fokus r{\"u}ckt, ist die Energiespeicherung mittels komprimiertem Wasserstoffgas. Insbesondere f{\"u}r mobile und Transport-Anwendungen ist eine geringe Masse des Speichers vorteilhaft, weshalb vollumwickelte Composite-Druckbeh{\"a}lter des Typs 4 zum Einsatz kommen. Diese werden {\"u}berwiegend im Nasswickelverfahren gefertigt, das durch zahlreiche Prozessparameter und physikalische Effekte charakterisiert wird. Die Wahl der Wickelprozessparameter sowie Schwankungen der Materialkennwerte beeinflussen den Eigenspannungszustand in der Composite-Struktur eines Druckbeh{\"a}lters. Somit wirken sie sich auch auf den Spannungszustand im Betrieb aus. Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen des Einflusses von fertigungsbedingten Eigenspannungen auf die Sicherheit von Composite-Druckbeh{\"a}ltern mit nichttragendem Kunststoff-Liner. Ziel ist es, das mechanische Verhalten von Composite-Druckbeh{\"a}ltern besser zu verstehen und deren Sicherheitsniveau sowie Konkurrenzf{\"a}higkeit weiter zu steigern. Schwerpunkte der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen der Eigenspannungsentstehung und -entwicklung sowie deren Einfluss auf die Beh{\"a}lter-Sicherheit. Im Fokus befindet sich die Exploration von M{\"o}glichkeiten zur Verbesserung der Zuverl{\"a}ssigkeit der Beh{\"a}lter durch Variation der Fertigungsparameter und eine Konditionierung nach der Fertigung. Der Eigenspannungszustand wird in numerischen Simulationen sowie mit dem zerst{\"o}renden Bohrlochverfahren charakterisiert. Die {\"U}berwachung der Spannungsumlagerung w{\"a}hrend einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung erfolgt mit eingebetteten faseroptischen Sensoren, die sp{\"a}ter zur Dehnungsmessung in zerst{\"o}renden, langsamen Berstpr{\"u}fungen eingesetzt werden. Zur Vertiefung des Verst{\"a}ndnisses des Versagensverhaltens der verwendeten 6,8 l-Druckbeh{\"a}lter wird die Finite-Elemente-Methode eingesetzt. Dar{\"u}ber hinaus werden Qualit{\"a}tsuntersuchungen der Composite-Struktur mittels Mikro-Computertomographie und Impuls-Echo-Verfahren beschrieben. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Steigerung der Zuverl{\"a}ssigkeit durch eine gezielte Innendruckbeanspruchung der gewickelten Beh{\"a}lter nahezu kostenneutral m{\"o}glich ist. Dies wird im Rahmen der Arbeit anhand eines Baumusters demonstriert. Dar{\"u}ber hinaus wird die Verbesserung der Zuverl{\"a}ssigkeit der Beh{\"a}lter im Rahmen einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung vertieft diskutiert. Diese stellt eine weiterf{\"u}hrende M{\"o}glichkeit dar, das Beh{\"a}lterverhalten positiv zu beeinflussen und das Sicherheitsniveau zu steigern.}, subject = {Composite; Druckbeh{\"a}lter; Eigenspannungen; Faser-Kunststoff-Verbund; Wasserstoff; Composite material; Pressure vessel; Residual stress; Hydrogen; Fibre reinforced plastic; Energiespeicherung; Druckbeh{\"a}lter; Faserverst{\"a}rkter Kunststoff; Nasswickelverfahren; Eigenspannung}, language = {de} } @phdthesis{SanthanakrishnanBalakrishnan2020, author = {Santhanakrishnan Balakrishnan, Venkateswaran}, title = {Near-net-shape semi-finished products for the local reinforcement and repair of fibre reinforced plastics}, doi = {10.26127/BTUOpen-5266}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52667}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2020}, abstract = {The European Parliament and Council has defined a mandatory specific emission target of 95 g CO2/km by 2020 for passenger cars. Vehicle weight is a significant factor contributing to fuel consumption. Reducing the weight of the vehicle can be one promising option for decreasing CO2 emissions, which becomes a top priority for the automotive industry. In this research, two approaches were used to address the need. One involved developing structural parts using fibre reinforced plastics (FRP), and the other involved designing and developing FRP-metal hybrid laminates, which were constructed by reinforcing FRP locally to the metal surface. Existing joining techniques such as riveting, bolting, adhesive joining, ultrasonic welding, and flow drill joining techniques require additional processing steps to perform the joining, which could considerably increase processing time, cost, and energy expenditure. The present work describes a method to join FRP and metals using the adhesion strength of the investigated polymers. The developed FRP-metal hybrid laminates combine the advantages of metal and FRP together. Steel hot-stamping is known to yield very high strength. Fibre reinforced plastic-metal hybrid laminates were developed using hot stamped steels to transfer their superior mechanical properties to the final structure. To utilize the complete lightweight potential of thermoset and thermoplastic polymers, FRPs and FRP-metal hybrid laminates were developed using both the polymers. Along with this increased demand for FRP structures, there is growing interest in a repair technique in the automotive industry. The second objective of this thesis consists of designing and developing a new repair technique, which regains the strength and stiffness properties of the damaged part. The existing scarf repair technique is not suitable for thin laminates, which have limited access to the damaged area. Perforation damages were introduced into the FRP structures using a low-velocity impact load. A modified injection repair technique is used to repair these damaged FRP structures. Non-destructive techniques were utilized to understand the damage and the effectiveness of the repair.}, subject = {Fibre metal laminates (FML); Lightweight construction; Composite/metal hybrids; Joining technology; Injection repair; Faser-Metall-Laminate (FML); Leichtbaukonstruktion; Komposite/Metall-Hybride; F{\"u}getechnologie; Injektionsreparatur; Faserverst{\"a}rkter Kunststoff; Metallischer Werkstoff; Schichtverbundwerkstoff; Laminat; F{\"u}gen}, language = {en} }