Strukturmechanische Auslegung von zellularen metallischen punktgeschweißten Sandwichstrukturen

Abstract

Im Rahmen der Dissertation wurde das strukturmechanische Verhalten von zellularen punktgeschweißten Sandwichstrukturen aus einer Titanlegierung untersucht. Das Ziel der Untersuchungen bestand darin, ein Verfahren zur Auslegung derartiger Strukturen sowohl bei quasistatischer als auch dynamischer Belastung zu erarbeiten. Die zahlreichen Experimente zum statischen Verhalten der untersuchten Sandwichstruktur bauen eine Datenbasis auf und ermöglichen ein besseres physikalisches Verständnis des Versagensmechanismus der Struktur. Desweiteren dienen sie der Validierung der zeitgleich entwickelten FE-Modelle und zur Überprüfung der analytischen Berechnungen. Die bei der untersuchten Sandwichstruktur verwendete Punktschweißverbindung wird experimentell untersucht. Dabei kommt der Scherzugversuch und der Trommel-Schälversuch zum Einsatz. Bei der Simulation liegt der Schwerpunkt in der Integration eines Versagenskriteriums für die Schweißverbindung als Erweiterung für das bereits entwickelte FE-Modell. Die für das Versagenskriterium benötigten Parameter werden anhand der experimentellen Ergebnisse kalibriert. Darüber hinaus werden strukturdynamische Kenngrößen wie die Eigenfrequenzen, Eigenformen und die modalen Dämpfungen der zellularen Sandwichstruktur experimentell bestimmt. Begleitend hierzu werden die Eigenfrequenzen mit Hilfe von FE-Simulationen und auf Basis analytischer Berechnungen ermittelt. Anschließend erfolgt die Ermittlung der dynamischen Beanspruchung unter einer anwendungsrelevanten Random-Anregung sowohl experimentell als auch mittels Simulation. Die erarbeiteten analytischen Ansätze erlauben eine zeiteffiziente Vorauslegung der hier untersuchten zellularen Sandwichstruktur. Die entwickelten FE-Modelle stellen ein leistungsstarkes Werkzeug zur quasi-statischen und zur dynamischen Auslegung derartiger Strukturen dar.

The present thesis is dealing with the structural mechanical behaviour of cellular sandwich structures made of titanium alloy. The intention of the here presented research is the development of a design method for such sandwich structure under quasi-statical and dynamical load. The numerous statical experiments allow the development of a data base and improve the understanding of the failure mechanism of the cellular structure. In addition they are used for validation of the developed FE-models and verification of the analytical calculation. The spot-welded joint of this sandwich structure is tested. The tensile shear test and the climbing drum peel test are performed. The FE-simulation focuses on the implementation of a criterion of failure for the spot-welded joint as an extension of the existing FE-model. The necessary parameters for the criterion of failure are calibrated based on the experimental results.Eigenfrequencies, eigenmodes and modal damping rates are determined in the structural dynamics experiments. In addition the eigenfrequencies are calculated based on FE-simulation and analytical modells. Finally a relevant random loading is applied. The measured stress and strains are compared to those of the simulation. The developed time efficient analytical models can be used for the preliminary design stage. Moreover a powerful FE-tool was created for a detailed design of the cellular sandwich structures.