Charakterisierung und Modellierung des quasi-statischen Verhaltens und der Ermüdung eines zellularen Verbundwerkstoffes

Characterization and Modeling of Quasi-Static and Fatigue Behavior of a Cellular Composite

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-67627
  • Zellulare Werkstoffe leisten im Rahmen des Stoff- und Verbundleichtbaus einen wichtigen Beitrag zur Gewichtsreduktion. Dabei haben die syntaktischen Schäume als Vertreter der zellularen Werkstoffe vor allem im Bereich der Tiefseeanwendungen eine große Verbreitung erfahren. Alternativ zu den üblicherweise verwendeten Mikrohohlkugeln kann Glasschaumgranulat aus Recyclingglas verwendet werden. Dieses weist gute mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Druckfestigkeit bei deutlich geringeren Kosten auf. Syntaktische Schäume mit zellularem Granulat als Platzhalter sowie Metall- oder Polymermatrizen werden zellulare Verbundwerkstoffe (ZVW) genannt. Für einen erfolgreichen Einsatz des ZVWZellulare Werkstoffe leisten im Rahmen des Stoff- und Verbundleichtbaus einen wichtigen Beitrag zur Gewichtsreduktion. Dabei haben die syntaktischen Schäume als Vertreter der zellularen Werkstoffe vor allem im Bereich der Tiefseeanwendungen eine große Verbreitung erfahren. Alternativ zu den üblicherweise verwendeten Mikrohohlkugeln kann Glasschaumgranulat aus Recyclingglas verwendet werden. Dieses weist gute mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Druckfestigkeit bei deutlich geringeren Kosten auf. Syntaktische Schäume mit zellularem Granulat als Platzhalter sowie Metall- oder Polymermatrizen werden zellulare Verbundwerkstoffe (ZVW) genannt. Für einen erfolgreichen Einsatz des ZVW als Konstruktionswerkstoff ist die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften unerlässlich. In der vorliegenden Arbeit wird das quasi-statische Verhalten und die Ermüdung eines zellularen Verbundwerkstoffes mit Epoxidharzmatrix und Glasschaumgranulat experimentell untersucht und modelliert. Zur Ermittlung der Schubeigenschaften wird eine neuartige Schubversuchsvorrichtung entwickelt und vorgestellt. Mit Hilfe einer numerischen Homogenisierungsmethode können die effektiven elastischen Werkstoffeigenschaften mit hoher Genauigkeit und ohne aufwändige Versuche am ZVW aus den Eigenschaften der Verbundwerkstoffkomponenten berechnet werden. Anhand von zwei ausgewählten Anwendungsbeispielen wird das hohe Leichtbaupotenzial des ZVW demonstriert. Es wird erstmals das Ermüdungsverhalten eines zellularen Verbundwerkstoffes anhand einachsiger statischer Zug- und Druckversuche sowie zyklischer Versuche bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen untersucht. Der Schädigungsprozess bei zyklischer Beanspruchung stellt eine Interaktion zwischen statischer und zyklischer Schädigung dar. Die Werkstoffschädigung wird mit der Abnahme des makroskopischen Elastizitätsmoduls assoziiert. Die Analyse der Schädigungsevolution erfolgt mit Hilfe von licht- und rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen. Zur Vorhersage der Lebensdauer in Abhängigkeit von der Frequenz und der Signalform werden eindimensionale kontinuumsmechanische Schädigungsmodelle für statische bzw. zyklische Schädigung verwendet. Die Parameterabstimmung wird basierend auf Versuchen mit rein statischer sowie rein zyklischer Schädigung durchgeführt. Die Schädigungsmodelle berücksichtigen eine nichtlineare Schädigungsevolution sowie -akkumulation, womit der Reihenfolgeeinfluss abgebildet werden kann. Es wird ein spezieller Algorithmus entwickelt, welcher eine sehr schnelle Berechnung der Schädigungsevolution für beliebige Frequenzen ermöglicht. Die mit dem Schädigungsmodell für unterschiedliche Frequenzen, Signalformen und Lastreihenfolgen berechneten Lebensdauern stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.show moreshow less
  • Cellular solids are very important in lightweight design due to their good mechanical and physical properties such as high weight-specific stiffness, good energy-absorbing behavior and good thermal and acoustic isolation. Syntactic foams, a class of closed-cell foams, are extensively used e.g. in deep submergence buoyancy where the high compressive strength as well as their low water absorption are required. Cellular composites are syntactic foams with metals or polymers as matrix material combined with cellular glass, mineral, or metal place holders. Cellular composites made with cellular glass granules from recycled glass offer high stiffness and compressive strength at low costs. WhenCellular solids are very important in lightweight design due to their good mechanical and physical properties such as high weight-specific stiffness, good energy-absorbing behavior and good thermal and acoustic isolation. Syntactic foams, a class of closed-cell foams, are extensively used e.g. in deep submergence buoyancy where the high compressive strength as well as their low water absorption are required. Cellular composites are syntactic foams with metals or polymers as matrix material combined with cellular glass, mineral, or metal place holders. Cellular composites made with cellular glass granules from recycled glass offer high stiffness and compressive strength at low costs. When designing components made from cellular composites, the knowledge of their mechanical properties is of vital importance. In this work, the quasi-static and the fatigue behavior of a cellular composite with epoxy matrix and glass foam granules will be studied. The shear properties of the cellular composite are investigated using a new shear test fixture which is particularly suitable for testing of cellular solids. A numerical homogenization method for cellular composites will be introduced. Using this method, the effective elastic properties can be calculated in a very effective manner from the properties of constituent materials without tests on the composite itself. Two examples of practical applications demonstrate the high lightweight capability of the cellular composite. The fatigue behavior of the cellular composite will be investigated for the first time in this work. The experimental tests comprise uniaxial static and cyclic tension, compression, and reversal loading. It is found that the damage process under cyclic loading is an interaction between static and cyclic damage. The material damage is described in terms of macroscopic stiffness loss and the damage behavior is studied using optical and scanning electron microscopy. Continuum damage mechanics models for static and cyclic damage are used to model the damage evolution of the cellular composite. For calibrating the model parameters, pure static and pure cyclic damage tests are performed. The models incorporate nonlinear accumulation and nonlinear interaction of damage and are therefore capable to represent load sequence effects. A cycle jumping procedure is developed which allows a very fast calculation of damage evolution for arbitrary load frequencies. The calculated lifetimes for different load frequencies, waveforms, and load sequences are in very good agreement with experiments.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sergej Diel
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-67627
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (18)
Referee:Paul Steinmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2015
Date of online publication (Embargo Date):2015/12/02
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2015/11/18
Release Date:2015/12/10
Tag:Frequenzeinfluss; Reihenfolgeeinfluss; Schädigungsinteraktion; Syntaktischer Schaum; Zellularer Verbundwerkstoff
SWD-Keyword:Verbundwerkstoff; Schaumglas; Epoxidharz; Materialermüdung; Modellierung; Kontinuumsschädigungsmechanik; Homogenisierung; Werkstoffprüfung
Length/size:136
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
MSC-Classification:74-XX MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS / 74-05 Experimental work
74-XX MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS / 74Qxx Homogenization, determination of effective properties
74-XX MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS / 74Rxx Fracture and damage
74-XX MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS / 74Sxx Numerical methods [See also 65-XX, 74G15, 74H15]
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht
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