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Efficient Characterization and Modelling of the Nonlinear Behaviour of LFT for Crash Simulations
(2021)
Modeling the nonlinear material behaviour of long fiber reinforced thermoplastics (LFT) presents a challenging task since local inhomogeneities and nonlinear effects must be taken into account also on the microscale. We present a computational method with which we can predict the nonlinear material response of a composite material using only standard DMA measurements on the pure polymer matrix material. The material models considered include plasticity, damage, viscoelasticity, and viscoplasticity as described in [1]. These models can be combined similar to the model from [2] and extended to the composite by assigning linear elastic properties to the fibers. The mechanical response of the composite is computed using an FFT-based technique [3]. The geometry of the composite, in particular the fiber orientation, can be characterized using injection molding simulations or micro CT scans. We create virtual models of the composite using the algorithm of [4]. We show that with this method, the material behaviour of the composite can be predicted while the experimental complexity needed for the material characterization is low.
In dieser Arbeit wird eine Methode zur Kalibrierung einer Standard-LS-DYNA-Materialkarte für ein langfaserverstärktes thermoplastisches Material anhand von virtuellen Messungen vorgestellt. Diese Messungen werden durch ein Mikroskalenmodell gewonnen, das mit einfachen Messungen am Matrixmaterial kalibriert und durch wenige Messungen am Verbundwerkstoff validiert wird. Die resultierende Materialkarte kann das Materialverhalten des Verbundwerkstoffes sowohl für Zug- als auch für Scherbelastungen sowie für einen Durchstoßversuch mit guter Genauigkeit vorhersagen.
Unidirektionale (UD) und multidirektionale (MD) CFK-Gelege wurden am Fraunhofer IWM auf ihre Dehnratenabhängigkeit untersucht. Die Herstellung der Verbundplatten erfolgte mit dem „Resin Transfer Moulding“-Verfahren (RTM). In Hochgeschwindigkeitsversuchen mit Druck-, Druck-Scher-, Zug- und Zug-Scher-Proben wurden Eingangsdaten für Crashsimulationen bis zu Dehnraten von etwa 102 s-1 ermittelt. Die Versuche wurden mit Schnellzerreißmaschinen durchgeführt, die Prüfteilverformung mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet und die Dehnungen mit dem Grauwertkorrelations-Verfahren ARAMIS ausgewertet. Es wurden Probenformen verwendet, die speziell für die jeweilige Belastungsart unter dynamischen Prüfbedingungen entwickelt worden sind. Die Eignung dieser Proben wurde durch den Vergleich mit Ergebnissen von Normproben nachgewiesen. Die ermittelten Festigkeiten zeigen einen moderaten Anstieg mit zunehmender Prüfgeschwindigkeit. Die Verformungsmessungen ergaben eine periodische Lokalisierung der Dehnungen, die durch den Aufbau der einzelnen Lagen des Geleges aus Faserbündeln (Rovings) bedingt ist. Die höchsten Dehnungen treten in der Matrix zwischen einzelnen Rovings auf, so dass die Ergebnisse stark von der Wahl der Messposition und der Messlänge abhängen. Simultane Messungen auf beiden Probenoberflächen ergaben teilweise leicht unterschiedliche Ergebnisse, die durch eine Asymmetrie des Lagenaufbaus des UD-CFK-Geleges in Dickenrichtung bedingt sind. Für repräsentative Ergebnisse wurden die Messverfahren diesen Gegebenheiten entsprechend angepasst.
The mechanical properties of crash-optimized adhesive BETAMATE 1496V are characterized over a wide range of strain rates. The information gathered from the mechanical tests are used for developing a fully rate-dependent constitutive law for cohesive interface elements considering both, the strain rate dependency of the initiation stress and the strain rate dependency of the fracture toughness. The model is calibrated and verified against experimental data for tapered double cantilever beam (TDCB) and tapered end notched flexure (TENF) tests. Finally, the model is validated against quasi-static and dynamic experimental results on an adhesively bonded T-joint. The numerical predictions show good correlation with the experimental results.
The strain rate dependency of carbon fibre reinforced plastic (CFRP) laminate manufactured in a resin transfer moulding (RTM) process was investigated up to strain rates of 102 s−1. High-speed video imaging in combination with digital image correlation analysis (DIC) and high-speed infrared cameras were applied to evaluate the tests. Specimens were specifically designed for tests at high loading rates. Periodic strain localisations were observed. Thus, multiple fractures occurred at the highest strain rate. Considerable strain rate dependence could be identified. The stress strain curves, and in the case of 90° tension and compression also the strain to fracture exhibited a moderate rise with increasing strain rate. High rate shear tests at ±45° loading direction with large, localised deformations up to failure showed reduced hardening compared to quasi-static tests, probably caused by adiabatic heating. A local temperature rise of about 50 K was determined by high-speed infrared measurements.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung der Software der messeffekt GmbH zur Regelung von Lüftungsanlagen. Optimiert wurden die Regelung der Wärmepumpe und der Gefrierschutz der Wärmerückgewinnung. Durch die Erstellung eines neuen Regelungsbausteins, der die thermodynamischen Abläufe in einer Wärmepumpe mit Kaltdampfprozess für die Wärmebedarfsrechnung nutzt, konnte die zuvor vorhandene Schwingung der Regelgröße, nämlich die Zulufttemperatur verringert werden. Der Regelungsbaustein setzt sich aus einer Vorsteuerung mit bedingter Regelung zusammen. Der Leistungsbedarf der Wärmepumpe wird berechnet mit einem hergeleiteten linearen Gesetz, der den Zusammenhang zwischen der Leistung der Wärmepumpe und die Temperaturänderung bei einem bestimmtem Volumenstrom der Zuluft beschreibt. Die Nachregelung wird aktiviert, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, darunter das Ablaufen einer Verzögerungszeit, um vorzeitige Korrekturen zu verhindern. Der Baustein konnte in einer Anlage eines Restaurants in Deutschland eingesetzt werden. Der Gefrierschutz konnte durch den Einsatz des Funktionsbausteins FbPlateHeatExchanger der WAGOAppBuildingHVAC Bibliothek für Wärmerückgewinnungsanlagen mit einem Bypass in der Zuluft gelöst werden, wobei auf Grund der Jahreszeit lediglich Simulationen durchgeführt werden konnten. Außerdem wurde zur verbesserten Versionsverwaltung der Software eine Softwarebibliothek angelegt mit den Hauptfunktionsbausteinen der Anlagenregelung. Um die Kompatibilität der Bibliothek für möglichst viele Anlagen sicherzustellen, kann durch die Konfiguration von Bibliotheksparametern die Funktionsweise bestimmter Programmteile eingestellt werden. Es mussten dafür alle optionalen Komponenten einer Anlage in der Bibliothek implementiert werden, die jedoch durch die Konfiguration deaktiviert werden können. Dies betrifft auch die, in der Bibliothek enthaltenen Visualisierungen zur Steuerung und Konfiguration der Applikation. Die Bibliothek wurde bereits in mehreren Anlagen erfolgreich eingesetzt.
In dieser Thesis wird die Entwicklung eines Linux Kernel-Moduls behandelt, welches die Kommunikation über eine serielle Schnittstelle verwalten und schützen soll. Im Anwendungsfall der X2E GmbH wird eine solche Schnittstelle als Kommunikationskanal zwischen einem "AMD Zynq UltraScale+ MPSoC" und einem "Atmel 32UC3C1128C" genutzt. Um diesen Aufbau zu unterstützen müssen die Protokolle SSI sowie DFU durch das Kernel-Modul implementiert werden. Für die Verwaltung der Schnittstelle wird der "Serial Device Bus" verwendet.