TY - THES A1 - Doynov, Nikolay T1 - Hybride Modelle für Verzugs- und Eigenspannungsberechnung von großen und komplexen Schweißkonstruktionen T1 - Hybrid models for calculation of distortion and residual stresses in large and complex welded structures N2 - Das Schweißen führt zu einer lokalen, ungleichmäßigen Erwärmung der Fügestelle. Die dadurch hervorgerufenen lokalen plastischen Verformungen und metallurgischen Werkstoffveränderungen bewirken nach der Abkühlung bleibenden Verzug und Eigenspannungen. Diese beeinflussen die reibungslose Durchführung des Fertigungsprozesses und die Qualität der geschweißten Konstruktion und schließlich stellen letztlich deren Einsatz in Frage. Somit steht für die meisten Industrieanwendungen die gesicherte Minimierung bzw. Beherrschung des Schweißverzuges und der Schweißeigenspannungen, insbesondere bei großen Konstruktionen im Vordergrund. Mittels der Vorkenntnis über den zu erwartenden Verzug und die Entwicklung der Eigenspannungen während und nach dem Schweißen können zum einen geeignete Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Einspannszenarien, Vorverformungen oder Schweißreihenfolgen sowie eine gezielte Vor-, Zwischen- oder Nachwärmebehandlung zweckmäßig gewählt werden. Zum anderen ist es möglich, die darauffolgenden notwendigen Nachbehandlungen, wie z.B. das thermische Richten, schon in einem sehr frühen Stadium des Produktentwicklungsprozesses vorauszuplanen. Demzufolge besteht seitens der Forschung ein sehr großes Interesse an der Entwicklung verlässlicher 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 für die lokale thermomechanische Berechnung und einen numerischen Teil für die globale strukturmechanische Berechnung. Die beiden Teilaufgaben sind stark gekoppelt. Der Schwerpunkt liegt in der Weiteentwicklung und in den Umsatzmöglichkeiten des analytischen Ansatzes. Darüber 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. N2 - Welding causes local, non-uniform heating of the joint. The resulting local plastic deformations and metallurgical material changes cause after cooling residual distortions and stresses. These affect the smooth performance of the manufacturing process and the quality of the welded structure, finally putting its use into question. Thus, for most industrial applications, the minimization or control of welding distortion and residual stresses, especially for large constructions, is of primary importance. By knowing in advance the distortion to be expected and the development of residual stresses during and after welding, it is possible, on the one hand, to select suitable measures to control the distortion, such as clamping scenarios, preforming or welding sequences, as well as targeted pre-, intermediate- or post-weld heat treatment. On the other hand, it is possible to plan in advance the subsequent necessary post-treatments, such as thermal straightening, at a very early stage of the product development process. Consequently, there is a very great interest on the part of the research community in the development of reliable models and methods for weld distortion and residual stress calculation. This postdoctoral thesis deals with the theoretical fundamentals and simulation aspects of weld distortion and residual stress calculation of large complex welded structures. The focus is on analytical-numerical hybrid models. These consist of an analytical part for the local thermomechanical calculation and a numerical part for the global structural mechanical calculation. The two subtasks are strongly coupled. The main issue is the ongoing development and the turnover possibilities of the analytical approach. In addition, the application of hybrid modeling for the calculation of distortion and residual stresses in practically relevant welded structures is demonstrated with numerous examples. The aspects of incorporating simulation into the manufacturing or product chain will also be addressed. KW - Schweißsimulation KW - Eigendehnung KW - Schweißverzug KW - Schweißeigenspannungen KW - Vortgeschrittene Schweißfertigung KW - Computational welding mechanics KW - Inherent strain KW - Welding distortions KW - Welding residual stresses KW - Advanced welding manufacturing KW - Schweißen KW - Schweißspannung KW - Thermomechanik KW - Strukturmechanik KW - Tragfähigkeit KW - Richten KW - Intelligente Fertigung KW - Computersimulation KW - Konzeptionelle Modellierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64536 ER - TY - THES A1 - Sparr, Holger T1 - Thermomechanische Analyse von inelastischen Deformationsvorgängen bei komplexer Beanspruchung in Modellierung und Experiment T1 - Thermomechanical analysis of inelastic deformation processes under complex loading in modeling and experiment N2 - Anwendbare Materialgesetze im Rahmen der phänomenologischen Kontinuumsmechanik sind durch die berücksichtigten Deformationsmechanismen geprägt und sind in der Regel für einen anzugebenden Gültigkeitsbereich einsatzfähig. Die verwendeten mathematischen Werkzeuge geben einen ausreichenden Anpassungsspielraum experimenteller Daten, beziehen jedoch die Physikalität des Materialgesetzes bedingt ein, da der thermodynamische Prozess der Deformation als näherungsweise isotherm behandelt wird. In dieser Arbeit wird der Deformationsvorgang unter mechanischer Last als vollständiger thermodynamischer Prozess verstanden, der eine Temperaturentwicklung im Werkstoff einbezieht und die kalorischen Zustandsgrößen auswertet. Die Konzepte der Kontinuumsthermomechanik werden in der Beschreibung für thermodynamisch konsistente Materialgesetze genutzt. Die zugehörigen, mikrostrukturell motivierten Entwicklungsgrößen beschreiben das nichtlineare Verhalten für eine große Bandbreite von Materialklassen und in komplexen Belastungspfaden. Um dies für die Ermittlung geeigneter Materialgesetze nutzbar zu machen wird die Infrarotthermografie für die Ermittlung der Oberflächentemperatur in den Messablauf integriert. Hauptaugenmerk liegt auf dem technisch relevanten Anwendungsbereich der kleinen Deformationsgradienten bei Raumtemperatur. Anhand charakteristischer Belastungspfade für metallische Konstruktionswerkstoffe wird gezeigt, dass die Dynamik der Deformationsmechanismen sich in der Spannungs-Dehnungs-Charakteristik, in der Temperaturentwicklung und bei den kalorischen Zustandsgrößen signifikant widerspiegeln. Dies trifft insbesondere auch dann zu, wenn die Versuchsanforderungen minimiert werden und die gemessenen Temperaturänderungen klein sind. Die Ergebnisse der Arbeit weisen mit der Erweiterung des veränderlichen Temperaturfeldes einen Zugewinn in der Physikalität der thermodynamisch konsistenten Materialgesetze nach. N2 - Applicable material laws within the framework of phenomenological continuum mechanics are characterized by the deformation mechanisms considered and are usually applicable for a range of validity to be specified. The mathematical tools used give a sufficient margin to fit the experimental data. However, they only include the physicality of the material law to a certain extent, since the thermodynamic process of the deformation is treated as approximately isothermal. In this work, the deformation under mechanical load is understood as a complete thermodynamic process, which includes a temperature evolution in the material and evaluates the caloric state variables. The concepts of continuum thermomechanics are used in the description and the generation of thermodynamically consistent material laws. The associated microstructurally motivated, evolutionary variables describe the nonlinear behaviour of a wide range of material classes and is applicable to complex loading paths. In order to make this useful for the determination of suitable material laws, the infrared thermography is used and is integrated into the measurement procedure to obtain the surface temperature for the full load path. The main focus is on the technically relevant application range of small deformation gradients at room temperature. On the basis of characteristic load paths for metallic structural materials, it will be shown that the dynamics of the deformation mechanisms are reflected in the stress-strain characteristics, in the temperature evolution and in the characteristics of caloric state variables. This is particularly true even when the test requirements are minimized and the measured temperature changes are small. With the extension of the evolving temperature field, the results of this work prove a gain in the physicality of thermodynamically consistent material laws. KW - Thermomechanik KW - Infrarotthermografie KW - Viskoplastizität KW - Eigenerwärmung KW - Thermomechanics KW - Infrared Thermography KW - Viscoplasticity KW - Self–heating KW - Thermomechanik KW - Eigenerwärmung KW - Viskoplastizität KW - Infrarotthermographie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64197 ER - TY - THES A1 - Schob, Daniela T1 - Experimentelle Untersuchung und numerische Simulation des Material- und Schädigungsverhaltens von 3D gedrucktem Polyamid 12 unter quasistatischer und zyklischer Beanspruchung T1 - Experimental investigation and numerical simulation of the material and damage behaviour of 3D printed polyamide 12 under quasi-static and cyclic loading N2 - Für Polymerbauteile hat sich in der industriellen Anwendung das pulverbettbasierte selektive Lasersintern etabliert. Durch den schichtweisen Aufbau können hochkomplexe Geometrien fügestellenfrei 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 für additiv gefertigtes Polyamid 12, das das Material- und Schädigungsverhalten unter quasistatischen und zyklischen Beanspruchungen abbildet, unter Berücksichtigung der fertigungstechnologischen Gegebenheiten. Die vorliegende Dissertationsschrift widmet sich dabei zunächst einer systematischen experimentellen Materialcharakterisierung. Den Grundbaustein dafür bildet die Materialklassifizierung in Abhängigkeit der Gleichgewichtszustände, gefolgt von quasistatischen und zyklischen Versuchen. Um Kenntnisse über das Materialgefüge zu erlangen, werden die Untersuchungen durch Mikrostrukturanalysen mittels Refraktions- und Computertomographie-Untersuchungen ergänzt. Auf dieser Grundlage folgt die phänomenologische Materialmodellierung, mit dem Fokus auf die elastisch-viskoplastische Materialtheorie und der Kopplung mit einem Modell der Schädigungsmechanik. Die Basis liefern Modellierungsansätze, die bisher zumeist für 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. Für die Prognose des Schädigungsverhaltens werden Porenwachstum, -nukleation sowie Kolaeszenz beachtet. Die Modellparameter werden mittels Sensitivitätsanalyse und Optimierung anhand der Versuchsdaten des Polyamid 12 identifiziert und validiert. Die Verifikation des entwickelten Berechnungsmodells mit Versuchen, die nicht für die Parameteridentifizierung verwendet werden, zeigt, dass das reale Material- und Schädigungsverhalten von Polyamid 12 mit hoher Genauigkeit abgebildet wird. N2 - For industrial applications powder bed-based selective laser sintering has been established to produce polymer components. Applying a layer-by-layer structure, highly complex geometries can be manufactured without joints, and functions can be integrated directly during the production process. However, due to the limitations of manufacturing technoligies, the material properties of additively produced components have not yet reached the same level as the property of conventionally manufactured. Therefore, the question arises whether these components can be applied as construction material. The thesis takes up this issue and introduces the development and application of a calculation model for additively manufactured polyamide 12. The model maps the material and damage behaviour under quasi-static and cyclic loads while considering the manufacturing circumstances. Whereas initially this dissertation will systematically experimentally characterize the material by classifying it depending on its equilibrium condition, it then will present the results of quasi-static and cyclic tests. In order to gain knowledge about the material structure, the studies are supplemented by microstructure analysis using refraction and computer tomography examinations. On this basis phenomenological material modelling will follow with focus on the elasticviscoplastic material theory and on coupling with a model of damage mechanics. The source for this modelling is provided by approaches which have mostly been used for metallic materials so far, and which are adapted and enhanced in the present work. The implementation by using a constitutive model includes isotropic and kinematic hardening as well as static and dynamic recovery. For the prediction of the damage behaviour pores, pore growth, pore nucleation and colaescence are being considered. The model parameters are identified and validated by means of sensitivity analysis and optimization based on the test data of polyamide 12. The verification of the developed calculation model with tests that are not used for the parameter identification shows that the realistic material and damage behaviour of polyamide 12 can be mapped with high accuracy. KW - Additive Fertigungsverfahren KW - Selektives Lasersintern KW - Materialmodell KW - Schädigungsmodell KW - Chaboche KW - Additive manufacturing KW - Selective laser sintering KW - Material model KW - Polyamid 12 KW - Rapid Prototyping (Fertigung) KW - Selektives Laserstrahlsintern KW - Damage model KW - Gurson-Tvergaard-Needleman KW - Kunststoffprüfung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62167 ER - TY - THES A1 - Popiela, Bartosz Maciej T1 - Einfluss fertigungsbedingter Eigenspannungen auf die Betriebssicherheit von nassgewickelten Composite-Druckbehältern mit einem nichttragenden Liner T1 - Influence of manufacturing-related residual stresses on the operational safety of wet wound composite pressure vessels with a non-load bearing liner N2 - Im Hinblick auf die globale Herausforderung der Energietransformation steigt der Bedarf an Möglichkeiten zur Energiespeicherung. Eine Technologie, die zunehmend in den Fokus rückt, ist die Energiespeicherung mittels komprimiertem Wasserstoffgas. Insbesondere für mobile und Transport-Anwendungen ist eine geringe Masse des Speichers vorteilhaft, weshalb vollumwickelte Composite-Druckbehälter des Typs 4 zum Einsatz kommen. Diese werden überwiegend 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 Druckbehälters. 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-Druckbehältern mit nichttragendem Kunststoff-Liner. Ziel ist es, das mechanische Verhalten von Composite-Druckbehältern besser zu verstehen und deren Sicherheitsniveau sowie Konkurrenzfähigkeit weiter zu steigern. Schwerpunkte der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen der Eigenspannungsentstehung und -entwicklung sowie deren Einfluss auf die Behälter-Sicherheit. Im Fokus befindet sich die Exploration von Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Behälter durch Variation der Fertigungsparameter und eine Konditionierung nach der Fertigung. Der Eigenspannungszustand wird in numerischen Simulationen sowie mit dem zerstörenden Bohrlochverfahren charakterisiert. Die Überwachung der Spannungsumlagerung während einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung erfolgt mit eingebetteten faseroptischen Sensoren, die später zur Dehnungsmessung in zerstörenden, langsamen Berstprüfungen eingesetzt werden. Zur Vertiefung des Verständnisses des Versagensverhaltens der verwendeten 6,8 l-Druckbehälter wird die Finite-Elemente-Methode eingesetzt. Darüber hinaus werden Qualitätsuntersuchungen der Composite-Struktur mittels Mikro-Computertomographie und Impuls-Echo-Verfahren beschrieben. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Steigerung der Zuverlässigkeit durch eine gezielte Innendruckbeanspruchung der gewickelten Behälter nahezu kostenneutral möglich ist. Dies wird im Rahmen der Arbeit anhand eines Baumusters demonstriert. Darüber hinaus wird die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Behälter im Rahmen einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung vertieft diskutiert. Diese stellt eine weiterführende Möglichkeit dar, das Behälterverhalten positiv zu beeinflussen und das Sicherheitsniveau zu steigern. N2 - Considering the global challenge of energy transformation, the demand for energy storage solutions is increasing. One of the technologies, which is gaining attention, is the storage of hydrogen gas under high operating pressures. Particularly for on-board and transport applications, lightweight storage systems are advantageous. Therefore, fully wrapped composite pressure vessels of Type 4 are increasingly used. These are mostly manufactured using the wet filament winding process, which is characterized by numerous process parameters and physical effects. The choice of winding process parameters and variations in material properties influence the residual stress state in the finished component and thus also the stress state under operational loads. This dissertation includes insights into the impact of manufacturing-induced residual stresses on the safety of Type 4 pressure vessels, which contribute to a deeper understanding of the mechanical behavior of composite pressure vessels and support the further enhancement of safety levels and competitiveness. The work focuses on experimental investigations of the induction and development of residual stresses and their impact on the safety of the composite pressure vessels. A core of the dissertation is an exploration of the possibilities to improve pressure vessel performance through variation of manufacturing parameters and conditioning after manufacturing. The residual stress state is characterized in numerical simulations as well as with the destructive hole-drilling method. Embedded fiber optic sensors are used for the monitoring of stress redistribution during conditioning. The fiber optic sensors are later used for strain measurement in destructive, slow burst tests. Finite element analyses are performed to deepen the understanding of the failure behavior of the used 6.8-liter pressure vessels. Additionally, quality investigations of the composite structure using micro-computed tomography and impulse-echo ultrasonic propagation imaging are described. The results of the investigations show that an increase in performance is possible through targeted internal pressure regulation during the winding process pressure vessels. This is demonstrated almost cost-neutrally, i.e., without increasing process time and material usage. Furthermore, the improvement of vessel performance through conditioning under increased pressure and temperature is discussed in depth. This represents a further possibility to favorably influence vessel behavior and enhance safety levels. KW - Composite KW - Druckbehälter KW - Eigenspannungen KW - Faser-Kunststoff-Verbund KW - Wasserstoff KW - Composite material KW - Pressure vessel KW - Residual stress KW - Hydrogen KW - Fibre reinforced plastic KW - Energiespeicherung KW - Druckbehälter KW - Faserverstärkter Kunststoff KW - Nasswickelverfahren KW - Eigenspannung Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72383 ER - TY - THES A1 - Santhanakrishnan Balakrishnan, Venkateswaran T1 - Near-net-shape semi-finished products for the local reinforcement and repair of fibre reinforced plastics T1 - Endkonturnahe Halbzeuge zur lokalen Verstärkung und Reparatur faserverstärkter Kunststoffe N2 - 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. N2 - Das Europäische Parlament und der Europäische Rat haben für 2020 ein verbindliches Emissionsziel von 95 g CO2/km für Personenkraftwagen festgelegt. Das Fahrzeuggewicht hat einen signifikanten Anteil am Kraftstoffverbrauch. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist daher eine effektive Methode zur Verringerung der CO2-Emission und stellt ein Hauptziel der Automobilindustrie dar. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste betraf die Entwicklung von Strukturbauteilen auf Basis faserverstärkter Kunststoffe (FKV) und der zweite die Auslegung und Entwicklung von FKV-Metall-Hybrid-Laminaten. Letztere wurden durch die lokale Verstärkung von Metallbauteilen mit gefügten FKV-Komponenten realisiert. Die bekannten Fügeverfahren wie Nieten, Verschrauben, Kleben, Ultraschallschweißen und Fließlochschrauben machen zusätzliche Arbeitsschritte notwendig, welche die Herstellungszeit, die Kosten sowie den Energiebedarf erheblich vergrößern können. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zum Fügen von FKV und Metall mittels der Adhäsionsfestigkeit des untersuchten Polymers. Die entwickelten FKV-Metall-Hybrid-Laminate kombinieren die Vorteile der FKVs und von Metall. Pressgehärteter Stahl weist sehr hohe Festigkeiten auf. Die FKV-Metall-Hybrid-Laminate wurden unter Verwendung pressgehärteter Stähle entwickelt, um deren herausragenden Eigenschaften auf die Struktur zu übertragen. Zur Erschließung des gesamten Leichtbaupotentials von duroplastischen und thermoplastischen Polymeren werden FKVs und FKV-Metall-Hybrid-Laminate mit beiden Kunststoffen hergestellt. Aus der gestiegenen Nachfrage nach FKV-Strukturen resultiert ein wachsendes Interesse der Automobilindustrie an Reparaturmethoden. Das zweite Ziel dieser Arbeit besteht in der Auslegung und Entwicklung einer neuen Reparaturmethode, welche die Festigkeit und Steifigkeit des beschädigten Bauteils wiederherstellt. Das bekannt Schäftreparaturverfahren ist für dünne Laminate nicht geeignet, bei denen nur ein begrenzter Zugang zum beschädigten Bereich besteht. Mit einer Aufpralllast mit niedriger Geschwindigkeit wurden Hohlraumschäden in die FKV-Strukturen eingebracht. Es wird eine modifizierte Injektionsmethode zur Reparatur der beschädigten FKV-Strukturen verwendet. Mittels zerstörungsfreier Verfahren werden der Schaden und die Effektivität der Reparatur bewertet. KW - Fibre metal laminates (FML) KW - Lightweight construction KW - Composite/metal hybrids KW - Joining technology KW - Injection repair KW - Faser-Metall-Laminate (FML) KW - Leichtbaukonstruktion KW - Komposite/Metall-Hybride KW - Fügetechnologie KW - Injektionsreparatur KW - Faserverstärkter Kunststoff KW - Metallischer Werkstoff KW - Schichtverbundwerkstoff KW - Laminat KW - Fügen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52667 ER -