Berechnungsmethodik zur Beurteilung von mechatronischen Bauteilen unter großen Temperaturschwankungen

Ähnliche Dokumente
Mechanische Eigenschaften metallischer und polymerer Schaumstoffe

Kirche, Jugend, Internet BAND35

Untersuchung des Betriebsverhaltens einer Windkraftanlage mit permanenterregten Synchrongeneratoren für den Einsatz im Offshore-Bereich

Wasser und Öl im CO 2 -Kältekreislauf: Einfluss auf den Prozess

Elektromagnetische Linearführungen für Aufzugsysteme

Auslegung von Zentrifugalpumpen zur effizienten, drucksensitiven und atraumatischen Herzunterstützung

Simulation des Tribokontakts zwischen Kette und Variatorscheibe im CVT-Getriebe. Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs

Energieeffizientes elektrisch-hydrostatisches Antriebssystem am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine

Eisenloser Permanentmagnet-Synchronmotor auf der Basis des Doppelspulenaktors in integrierter Anwendung

Energieeinsparung an Luftwebmaschinen durch Strömungssimulation

Möglichkeiten und Grenzen bei der generativen Herstellung metallischer Bauteile durch das Strahlschmelzverfahren

Kommunikation in Politik und Wirtschaft 11. Der Einfluss der Medien auf Unternehmensentscheidungen

Doktors der Ingenieurwissenschaften Dr.-Ing.

Familienorientierte Trauerbegleitung nach dem Tod eines nahe stehenden Menschen

Ebene Wellen in verlustbehafteten, optisch steuerbaren Material-Strukturen im W-Band

Technische Universität Dresden. Modellierung und Identifikation der Parameter des Linearantriebs der Magnetschwebebahn Transrapid

Einflüsse auf die adsorptive Entschwefelung flüssiger Kohlenwasserstoffe für moderne Brennstoffzellensysteme

Ein Verfahren zur Reduzierung der Welligkeit von Gewebekanten

Empfänger-Strukturen für die UMTS-Abwärtsstrecke

Beitrag zur konstruktiven Gestaltung hochbelastbarer Strukturknoten aus Faser-Thermoplast-Verbunden

Innovative Fügekonzepte für modularisierte Fahrzeugstrukturen in Mischbauweise

Entwicklung und Optimierung pneumatischer Mikrozerstäuber für den verbesserten Probeneintrag in der Plasmaemissionsspektrometrie AES

Steigerung der Tragfähigkeit thermisch gefügter Pressverbindungen im Ventiltrieb

Methode der laser-induzierten Lumineszenz zur experimentellen Analyse des Stofftransportes in laminar-welligen Flüssigkeitsfilmen

Modellbasierter Entwurf von Kühlsystemen für Brennstoffzellen in Verkehrsflugzeugen

Repräsentative Lastkollektive für Fahrwerkkomponenten

Stephan Zech. Über das Stimmen von Raum

Sensitivitäts- und Robustheitsanalyse beim Clinchen dicker Stahlbleche

Entwicklung eines mobilen Roboters für die automatisierte Instandhaltung von Materialflusssystemen

Schädigung von Dieselpartikelfiltern aus Cordierit durch Aschen: Mechanismen und Schutzmaßnahmen

Prognose des deutschen Verkehrsunfallgeschehens unter Berücksichtigung der Fahrzeugsicherheitssysteme

Skalenübergreifende Simulation des Anlassens von Werkzeugstählen

Entwicklung des Selective Laser Melting (SLM) für Aluminiumwerkstoffe

Frauen & Sportklettern

Die Türkei in der Identitätsfalle

Untersuchungen zum Tragverhalten hybrider Verbundkonstruktionen aus Polymerbeton, faserverstärkten Kunststoffen und Holz

Zur Erlangung des akademischen Grades eines. Doktors der Ingenieurwissenschaften

Björn Illing. Der Einfluss von Netznutzungsentgelten auf die Last im Verteilernetz

Erarbeitung konstruktionsmethodischer Grundlagen. für die Entwicklung von Produkten in der Medizintechnik

ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG STRUKTURIERENDER LASERVERFAHREN FÜR DIE HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM - SOLARZELLEN

Entscheidungshilfe zur Auswahl Schlanker Produktionssysteme für die Montage von Werkzeugmaschinen

Scherschneiden höchstfester Blech Werkstoffe im offenen Schnitt. Katrin Nothhaft

Analyse und Verbesserung des Ansaugverhaltens von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise

Informationen und Wissen in komplexen, kybernetischen Systemen Wissensmanagement im Spannungsfeld von Mensch und Informationstechnologie

Mobiles Lernen. Judith Seipold

Controlling und Management. Stefan Hübner. Qualität und Vertrauen als Determinanten des Wertbeitrags der Internen Revision. Nomos

Nomos. Gestaltungsparameter und verhaltensbeeinflussende Wirkung ökologisch orientierter Steuerungssysteme. Eine fallstudienbasierte Untersuchung

Wer wird Vater und wann?

Emotionale Framing-Effekte auf Einstellungen

Einblasen von Heißreduktionsgas und Reststoffen in den Hochofen Einfluss auf den Koks- und Energieverbrauch

Untersuchung des Einflusses hydraulischer und mechanischer Anregungen auf das Betriebsverhalten einer axialen Rohrgehäusepumpe

Automatisiertes Preforming für schalenförmige komplexe Faserverbundbauteile

Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren.

Fluoreszenzkollektoren für die Photovoltaik

Herstellung und Charakterisierung von transparenten, elektrisch leitfähigen TiO 2 :Nb-Dünnschichten durch Gleichstrom- und Puls- Magnetron-Sputtern

Stolpersteine Das Gedächtnis einer Straße

Aktive Dämpfung und Kompensation von Rotorschwingungen über aktive Piezo-Stapel-Aktuator-Lager

Agile Prozessplanung im Produktentstehungsprozess am Beispiel der Motorenproduktion

Bestimmung der Sauerstoffsättigung und des Hämatokrits an humanem Blut mittels ortsaufgelöster Streulichtmessung

Planung innovativer Produkte unter Nutzung von Design- und Ingenieurdienstleistungen

Herstellung und Charakterisierung ternärer Zink- Legierungsüberzüge auf Stahlfeinblech

Untersuchung und Methodenentwicklung zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen

Gesteinskörnungen im Beton unter Frost-Tau-Belastung

Einfluss äußerer Lasten auf das Stabilitätsverhalten von Gleitlagerungen eines PKW-Abgasturboladers

Vom Fachbereich Produktionstechnik. der UNIVERSITÄT BREMEN. zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur genehmigte. Dissertation.

Frauenfiguren im zeitgenössischen Bollywoodfilm

Ein Informationsmodell des Konstruktionsprozesses zur Abschätzung der Entwicklungskosten

Durchgängiges Konzept für die Auslegung von Spritzgießsonderverfahren am Beispiel der Gasinjektionstechnik

Untersuchungen zur heterogen-katalysierten Fries-Umlagerung in der flüssigen Phase

Polieren von Werkzeugstählen mit Laserstrahlung

Fanglagerkontakt magnetgelagerter Rotoren - nichtlineare Modellierung sowie Systemanalyse nach einem Magnetlagerausfall

D O K T O R - I N G E N I E U R

Prof. Dr.-Ing. habil. W. Schwarz Prof. Dr.-Ing. Dr.rer.nat. K. Reinschke Prof. A. Griewank, PhD Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. M. Zeitz

Oberflächenmodifikationen an NiTi-Formgedächtnislegierungen

Automatisierte Reglerinbetriebnahme für elektrische Antriebe mit schwingungsfähiger Mechanik

Konzept eines Entscheidungsmodells zur Aufgabenzuordnung in der Produktentwicklung

Dynamik von Zahnradgetrieben - Modellbildung, Simulation und experimentelle Analyse

Organisation der kundenindividuellen Massenproduktion

Methodenentwicklung zur Auslegung mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung

Mechanische und thermische Beanspruchungen in Großdieselmotoren bei extrem hohen Mitteldrücken

Finanz- und Rechnungswesen. Frank Schönfeld. Optimales Investitionsverhalten und Verfügungsrechte in Public Private Partnerships.

Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen. Kerstin Hecht

Analyse und Bewertung. der mechanisch-technologischen. Eigenschaften von geschweißten. Mischverbindungen aus Aluminium und Titan

Interdisziplinäre Schriften zur Wissenschaftsforschung 15. Insa Pruisken. Fusionen im institutionellen Feld Hochschule und Wissenschaft.

Taktische Planung in Supply Chain Netzwerken

Markus Andre Eisen Optimierte Parameterfindung und prozessorientiertes Qualitätsmanagement für das Selective Laser Melting Verfahren

Ein Multi-Agenten-System zur verteilten p-adaptiven Finite-Elemente-Simulation am Beispiel der Baugrund-Tragwerk-Interaktion

Virtueller Produktentwicklungsprozess für Elektromotoren

Sorption und Diffusion von Lösungsmitteln in glasartigen Polymeren

PLANUNG UND UMSETZUNG VON GESCHÄFTSMODELLEN FÜR EGOVERNMENTDIENSTE

Mediale Erinnerungen

Unternehmensnachfolge im Handwerk

Dissertation. zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.)

Beitrag zur Bestimmung der Wirkungsgrade einer Kreiselpumpe durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen

Crowdinvesting.Anlagemotive, Chancen und Risiken aus Perspektive der Kapitalgeber

Nomos. Strafverfolgung in Sozialen Netzwerken. Deutsches und Europäisches Strafprozessrecht und Polizeirecht

Corinna Norrick-Rühl panther, rotfuchs & Co.

Schriften zur europäischen Arbeits- und Sozialpolitik 14. Europäische Betriebsräte in Polen

Nachhaltigkeit und Versicherungen

Risikomanagement im Mittelstand 2010: Eine empirische Studie zum aktuellen Stand des Risikomanagements mittelständischer Unternehmen in Ostwestfalen

Transkript:

Schriftenreihe des Fachgebiets für Mechatronik mit dem Schwerpunkt Fahrzeuge 17 / 01 Patrick Obermann Berechnungsmethodik zur Beurteilung von mechatronischen Bauteilen unter großen Temperaturschwankungen

Schriftenreihe des Fachgebiets für Mechatronik mit dem Schwerpunkt Fahrzeuge Band 17 / 01 Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Michael Fister

Berechnungsmethodik zur Beurteilung von mechatronischen Bauteilen unter großen Temperaturschwankungen kassel university press

Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Maschinenbau der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Michael Fister Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker Tag der mündlichen Prüfung 19. Juli 2016 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2016 ISBN 978-3-7376-0268-6 (print) ISBN 978-3-7376-0269-3 (e-book) DOI: http://dx.medra.org/10.19211/kup9783737602693 URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0002-402692 2017, kassel university press GmbH, Kassel www.upress.uni-kassel.de Printed in Germany

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... v Formelzeichen und Abkürzungen... ix 1 Einleitung... 1 2 Stand der Technik... 3 2.1 Berechnungsmethodik im Konstruktionsprozess... 3 2.2 Grundlagen mechatronischer Systeme... 3 2.3 Konstruktiver Entwurf mechatronischer Komponenten... 5 2.3.1 Werkstoffe in mechatronischen Komponenten... 6 2.3.2 Mechatronische Komponenten unter Temperatureinfluss... 7 2.3.3 FEM-Modellbildung und Simulation... 8 2.4 Mechanische Grundlagen und FEM-Ansätze... 9 2.4.1 Technische Mechanik und Materialgesetzte... 9 2.4.2 Thermomechanische Modellierung... 13 2.4.3 Grundlagen nichtlinearer Probleme... 15 2.5 Hyperelastisches Materialverhalten... 18 2.5.1 Neo-Hooke-Modell... 20 2.5.2 Mooney-Rivlin-Modell... 21 2.5.3 Das erweiterte Mooney-Rivlin-Modell... 22 2.5.4 Odgen-Modell... 24 2.5.5 Yeoh-Modell... 24 2.6 Ermittlung von Werkstoffkennwerten mittels Normversuche... 24 2.6.1 Shore-A-Härte nach DIN EN ISO 868... 25 2.6.2 Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung... 25 2.6.1 Ermittlung von Koeffizienten mittels Shore-A-Härte... 26 2.7 Uniaxialer Zugversuch nach DIN EN ISO 527-2... 26 2.7.1 Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung... 27 2.7.2 Ermittlung von Koeffizienten mittels uniaxialem Zugversuch... 29 2.8 Äquibiaxiale Zugversuche... 31 v

Inhaltsverzeichnis 2.9 Kompressionsversuch... 32 2.10 FEM-Berechnung mechatronischer Komponenten... 34 3 Zielsetzung und Vorgehensweise... 35 4 Verwendete Werkstoffe... 39 4.1 Metallische Werkstoffe... 39 4.2 Kunststoffe... 40 4.2.1 Faserverstärkte Kunststoffe... 41 4.2.2 Silikonelastomere... 44 4.2.3 Verarbeitung von Silikonelastomeren... 48 5 Versuchsstände und Experimente... 51 5.1 Shore-A-Härte unter Temperatureinfluss... 52 5.2 Uniaxiale Zugversuche unter Temperatureinfluss... 53 5.3 Weiterführende Versuche... 56 5.3.1 Experimenteller Aufbau... 57 5.3.2 Vergleichender Zugversuch mittels H-Probe... 60 5.3.3 H-Zug-Probe unter Temperatureinfluss... 65 5.3.4 Dreikomponentenprobe... 70 5.3.5 Dreikomponentenprobe unter Temperatureinfluss... 72 6 Numerische Berechnung von Nichtlinearitäten... 79 6.1 Ermittlung eines geeigneten Modells für die Berechnung hyperelastischen Materialverhaltens... 79 6.2 Entwicklung eines Konzepts zur Ermittlung von Material-parametern für das erweiterte Mooney Rivlin Modell... 80 7 FEM-Modellaufbau und Simulation... 89 7.1 Rahmenbedingungen des Modellaufbaus... 89 7.2 Simulation der experimentellen Versuche... 91 7.2.1 Modellaufbau und Simulation der uniaxialen Zugversuche... 91 7.2.2 Gegenüberstellung von Versuchs- und Simulationsergebnissen aus dem uniaxialen Zugversuch... 92 7.2.3 Modellaufbau und Simulation der H-Zug-Probe... 95 vi

Inhaltsverzeichnis 7.2.4 Gegenüberstellung von Versuchs- und Simulationsergebnissen aus der H-Zug-Probe... 96 7.2.5 Modellaufbau und Simulation der Dreikomponentenprobe... 102 7.2.6 Gegenüberstellung von Versuchs- und Simulationsergebnissen... 103 7.3 Gewonnene Erkenntnisse... 105 8 Modellaufbau und Simulation des Verifikationsmodells... 107 8.1 Experimenteller Aufbau... 107 8.2 Versuchsergebnisse... 108 8.3 Modellaufbau und Simulation der H-Zug-Probe... 110 8.4 Gewonnene Erkenntnisse... 112 9 Zusammenfassung und Ausblick... 113 11 Literaturverzeichnis... 115 10 Anhang... 119 Technische Dokumentation des H-Zug-Prüfaufbaus... 119 Technische Dokumentation des äquibiaxialen Versuchsaufbaus... 120 Statistische Auswertung... 121 Werkstoffdatenblätter Silikonelastomer Typ I... 123 Werkstoffdatenblätter Silikonelastomer Typ II... 123 vii

Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen und Abkürzungen Lateinische Formelzeichen Formelzeichen Einheit Benennung A mm² Fläche a 1 mm Abstand A L c mm² Belastete Querschnittsfläche Federkonstante C 01 MPa Mooney-Rivlin-Koeffizient C 10 MPa Mooney-Rivlin-Koeffizient D MPa Mooney-Rivlin-Koeffizient E GPa Elastizitätsmodul E er GPa Ersatzelastizitätsmodul F 0 F Vorspannkraft F 1 N Reaktionskraft F 2 N Kraftangriffspunkt F Druck N Druckkraft N Thermischer Kraftvektor N Mechanischer Kraftvektor G SH GPa Schubmodul in Abhängigkeit der Shorehärte ix

Formelzeichen und Abkürzungen I 1, I 2, I 3 - Invariante des Chauchy Green Tensors K MPa Elementsteifigkeit K M - Kompressionsmodul L mm Länge l m Bauteillänge L 0 mm Anfangslänge L U mm Unbelastete Federlänge Mol mol Stoffmenge p bar Druck Q J Wärme R m MPa Zugfestigkeit R P02 MPa 0,2 % Dehngrenze s mm Weg S H - Shore-Härte t mm Tiefe T max C Maximale Temperatur T min C Minimale Temperatur T Norm C Normtemperatur mm Verschiebungsvektor x

Formelzeichen und Abkürzungen U mm Verschiebung u mm Verschiebung in X-Richtung V mm³ Volumenänderung V mm³ Volumen v mm Verschiebung in Y-Richtung V 0 mm³ Anfangsvolumen W Prüfgeschwindigkeit Formänderungsenergiedichte w mm Verschiebung in Z-Richtung W ges W vol Gesamte Formänderungsenergiedichte Volumetrische Formänderungsenergiedichte Griechische Formelzeichen Formelzeichen Einheit Benennung Wärmeausdehnungskoeffizient - Schubspannung - Scherung - Dehnung - Gesamtverschiebung xi

Formelzeichen und Abkürzungen - Längsdehnung - Querdehnung - Reißdehnung - Technische Dehnung - Wahre Dehnung - Dehnung in X-Richtung - Dehnung in Y-Richtung Dehnung in Z-Richtung - Verstreckung - Verstreckung aus biaxialem Zugversuch - Verstreckung aus uniaxialem Zugversuch - Reibungskoeffizient Dichte MPa Reißfestigkeit MPa Technische Spannung xii