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This thesis is dedicated to the structured sheet metals topic. Structured sheet metals are semi-finished products with the honeycomb (cell) shape, made by cold forming of the flat sheets. They represent an innovative technology in the field of lightweight construction. In recent years, this technology has undergone dynamic development what gives to researchers possibilities to improve the level of knowledge about structured sheets metals properties and explore new application fields for them.
The structuring improves basic properties, such as stiffness, compared to the flat sheet material. Due to these advantages, the use of structured sheet metals offers enormous innovation potential for efficient lightweight construction in many industrial sectors such as aerospace, rail transport technology, architectural products. Structured sheets have already been implementing in lighting technology, in the manufacture of household appliances and even in automotive industry. So that, the question arises if it possible to apply this kind of material successfully in other areas such as building industry.
This work contains an overview of the lightweight constructions historical development and stiffening elements in the steel industry, also the creation process of structured sheet metals, manufacturing investigated specimens, further bending tests, numerical simulations, analysis and comparison of resulting data and possible further use of lightweight beams with structured sheet elements as a building construction.
In this work beams compound of structured and flat plates are investigated. Steps of structured plates manufacturing process are described: hydroforming, point- and laser welding and bending. As a result, lightweight beams of two main shapes are manufactured: C- and square sectioned. There are four types of beams for each of the shapes are investigated. Every type has same geometrical dimensions, but thicknesses vary.
The series of laboratory tests with created beams under load is made. Three- and four-points bending tests are chosen for that.
This work also presents numerical analysis based on conducted experiments: buckling and global non-linear behavior of specimens by use of the software package ABAQUS/CAE are obtained. The behavior of the beams with structured and flat sheets under load is analyzed and the comparison of parameters such as load bearing capacity and stiffnesses is made.
Finally, in addition to laboratory and simulations, parametric modelling is done. Also, based on parametric calculations, the proposal for calculation the beams stiffness for with higher thicknesses is given. It allows to predict the behavior of beams with structured sheets with different thicknesses without manufacturing and conducting the expensive and time-taking laboratory experiments.
In conclusion, the recommendations for the simplifying of manufacturing process and for the improving of the beams stiffnesses are given.
Im Rahmen des Forschungsprojektes werden Fragestellungen des Stahlleichtbaus bezüglich des Einsatzes von strukturierten Blechen hinterfragt, untersucht und Lösungen vorgestellt.
Als Anwendungsbeispiel werden in dieser Arbeit geschweißte I-Träger mit schlanken, strukturierten Stegen untersucht. Eine Serie von Blechträgern mit verschiedenen Stegausführungen - eben, profiliert und strukturiert - wird modelliert und auf ihre Schubtragfähigkeit untersucht.
Die vorliegende Arbeit beschreibt erste Untersuchungen zu strukturierten Blechen mit aktuellen numerischen Analysen und praktischen Versuchen zum globalen und lokalen Beulen.
In Versuchen und numerischen Simulationen werden verschiedenste geschweißte Stahlleichtbauträger untersucht. Es wird erkundet, inwiefern sich das Beulverhalten von Trägern mit strukturierten Stegen gegenüber ebenen oder profilierten Stegen verändert. Außerdem wird definiert, welche Strukturen sich am besten für den Einsatz in Stahlleichtbauträgern eignen.
Schließlich wird ein Vergleich von numerischen und analytischen Versuchsergebnissen aufgezeigt und ein Berechnungsvorschlag gegeben, welcher dazu dient, Stahlleichtbauträger mit strukturierten Blechen bemessen zu können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines vereinfachten mechanischen Ersatzmodells für strukturierte Bleche. Diese bewirken durch ihre eingebrachten Formen eine Verbesserung der Bauteilsteifigkeit und des Beulverhaltens und versprechen somit hohes Potenzial hinsichtlich industrieller Anwendungen im Leichtbau. Zunächst wird ein Einblick in die theoretischen Grundlagen gegeben, welche essentiell für das Verständnis der Arbeit sind. Anschließend wird ein vereinfachtes Ersatzmodell entwickelt, welches auf Basis von Homogenisierungsprozessen anisotrope Materialparameter beschreibt, um das elastische Verhalten großer Strukturen aus strukturierten Blechen berechnen zu können. Für die Ersatzkennwerte werden Symmetrie- und Randbedingungen an Elementarzellen betrachtet, deren strukturmechanisches Verhalten repräsentativ bestimmend ist. Die Bestimmung eines solchen Repräsentativen Volumenelements (RVE) stellt die Basis der Homogenisierungsmethode dar. Mithilfe des Ersatzmodells wird eine effiziente numerische Auslegung gewährleistet. Der anschließende Vergleich mit experimentellen Ergebnissen unterstützt die Validierung des vereinfachten Ersatzkontinuums.
Strukturierte Bleche besitzen eingeprägte, regelmäßige Beulungen und Geometrien, die ihre Biegesteifigkeit in einigen Bauteilachsen gegenüber glatten Blechen erhöhen. Somit bieten sie großes Potenzial für den Leichtbaueinsatz, etwa in der Fahrzeugtechnik oder der Luftfahrt. Jedoch hat diese erhöhte Steifigkeit einen nachteiligen Effekt auf die Schalldämmung. Nicht nur, dass bei Einsatz solcher Bleche mit ähnlicher Steifigkeit wie glatte Blechen eine Verringerung der Blechdicke und damit der flächenbezogenen Masse zu erwarten ist, auch da die strukturierten Bleche orthotrope Eigenschaften besitzen, verringert sich die Luftschalldämmung. Dies ist der Fall, da sich der Bereich der Koinzidenzfrequenzen, in dem das Schalldämmmaß vergleichsweise gering ist, über einen größeren Frequenzbereich erstreckt. Eine Möglichkeit, die Schalldämmung von leichten und steifen Wänden zu erhöhen, ist die Verwendung von Doppelwandkonstruktionen.
Die hier betrachteten strukturierten Bleche aus Stahl der Dicke 0,5 mm, 0,7 mm und 1,0 mm besitzen eine sechseckige Wabenstruktur und eine etwa dreifach höhere Biegesteifigkeit gegenüber glatten Blechen gleicher Dicke. Die Strukturen sind parametrisiert durch ihre Schlüsselweiten, die Wabengrößen, von 33 mm, 43 mm und 51 mm. Weiterhin werden kleinere Variationen dieser Strukturgeometrien verwendet.
In der vorliegenden Dissertation wird die Luftschalldämmung von Einfachwänden und von Doppelwänden aus glatten und aus strukturierten Blechen untersucht. Im Gegensatz zu den Kenntnissen über Vorhersage der Luftschalldämmung bei Einsatz von glatten Blechen ist diese Vorhersage für strukturierte Bleche nicht ohne Weiteres möglich. Es werden daher numerische Modellierungen und Berechnungen des Schalldämmmaßes dieser Konstruktionen mit der Finite-Elemente-Methode vorgestellt. In einem Fensterprüfstand erfolgte Messungen dieses Parameters an glatten und strukturierten Blechproben werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Ergänzend werden analytische Berechnungen zur Schalldämmung isotroper und orthotroper Platten durchgeführt. Der betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich immer bis mindestens 10 kHz.
Die Schalldämmung strukturierter Einfachwände verhält sich unterhalb eines gewissen Frequenzbereiches gleich dem einer glatten Wand, ab etwa 4 kHz tritt in ähnlicher Form bei allen Blechdicken und Schlüsselweiten eine Verringerung des Schalldämmmaßes von bis zu 15 dB auf, diese erstreckt sich bis in sehr hohe Frequenzen.
In diesem Frequenzbereich ab 4 kHz aufwärts zeigen sich in der Modalanalyse der Bleche Moden einzelner Waben, die glatte Bleche nicht aufweisen. Auch die Wellenlängen der Biegewellen, die die Bleche in diesem Frequenzbereich ausbilden, besitzen Größenordnungen ähnlich der Wabengrößen. Neben der erhöhten Steifigkeit ist diese Übereinstimmung eine weitere Erklärung für die veränderte und verringerte Schalldämmung strukturierter Bleche.
Doppelwände aus strukturierten Blechen zeigen einen ähnlichen Verlauf des Schalldämmmaßes, hier verringert sich die Schalldämmung gegenüber glatten Blechen um bis zu 25 dB.
Die Ergebnisse der Simulationen und der Messungen stimmen dabei sehr gut überein und decken sich mit den analytischen Berechnungen. Darauf aufbauend werden Variationen der Schlüsselweite, der Strukturgeometrie, der Wabenhöhe, der Ausrichtung der Waben, des Werkstoffes durch Änderung der flächenbezogenen Masse sowie nur für Doppelwand Variationen des Wandabstandes, der Zwischenraumbedämpfung und der Verbindungsart der Schalen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass die Luftschalldämmung von Konstruktionen aus strukturierten Blechen berechenbar und somit vorhersagbar ist.