Title: Untersuchung der strukturellen Stabilität und des Nachbeulverhaltens einer seilverspannten Gitterstruktur
Language: Deutsch
Authors: Kölbl, Clemens 
Qualification level: Diploma
Keywords: Gitterstrukturen; strutkurelle Stabilität; Nachbeulverhalten; Finite Elemente Methode; Stabilitätsanalyse
lattice materials; structural stability; post-buckling behavior; finite element method; stability analysis
Advisor: Todt, Melanie  
Assisting Advisor: Pettermann, Heinz  
Issue Date: 2019
Number of Pages: 104
Qualification level: Diploma
Abstract: 
In vielen Bereichen der Technik werden zelluläre Strukturen bzw. Gittermaterialien aufgrund ihrer guten spezifischen Eigenschaften eingesetzt. Gittermaterialien bzw. Gitterstrukturen sind oft aus schlanken balkenähnlichen Elementen aufgebaut. Die maximale Belastbarkeit unter verschiedensten Lastbedingungen solcher Strukturen ist daher durch das Auftreten von strukturellem Stabilitätsverlust beschränkt.In dieser Arbeit soll untersucht werden, ob es möglich ist, eine definierte Gitterstruktur durch das Verspannen mit Seilen zu stabilisieren und welchen Einfluss Vorspannungen in diesen Seilen auf die kritische Belastung und das Nachbeulverhalten haben. Die zu untersuchende Gitterstruktur ist aus einer kreuzartigen Struktur aus Epoxidharz aufgebaut welche an ihren Enden mit Kohlenstofffasern verspannt ist. Die Untersuchung des Stabilitätsverhaltens wird mit der Hilfe der nichtlinearen Finite Elemente Methode durchgeführt. Dabei wird die kreuzartige Struktur aus Balkenelemente aufgebaut und die Kohlenstofffasern werden mit Stabelementen modelliert, wobei die Stabelemente keine Druckspannungen aufnehmen können. Das mechanische Verhalten der Struktur wird mittels einer linearer Beulanalyse, einer nichtlinearen quasi-statischer Analyse und einer begleitender Eigenfrequenzanalyse untersucht. Weiters wird der Einfluss des Materialverhaltens der Epoxidharz auf das Strukturverhalten untersucht, wobei ein linear elastischen bzw. ein elastisch ideal plastischen Materialverhalten angenommen wird. Es hat sich gezeigt, dass es bei optimaler Seilvorspannung möglich ist, die Belastung, die zum ersten Auftreten eines Stabilitätsverlustes führt, auf das 4 (3D Struktur) bis 5,5 fache (ebene Struktur) gegenüber der Knicklast der unverspannten Struktur zu steigern. Bei dieser optimalen Seilvorspannung fällt die kritische Belastung mit der Maximallast der Struktur zusammen. Für kleinere Seilvorspannungen kommt es zu einer linearen Zunahme der kritischen Last mit steigender Seilvorspannung. Nach Überschreiten der optimalen Seilvorspannung fällt die kritische Last mit steigender Seilvorspannung ab. Es kann in beiden Bereichen die Belastung nach überschreiten der kritischen Last weiter gesteigert werden, bis zum erreichen der Maximallast. Die Maximallast ist nahezu unabhängig von der Seilvorspannung und liegt beim 4 bis 5,5 fachen der Eulerknicklast der unverspannten Struktur. Die kritische Last ändert sich nicht aufgrund der elasto-plastischen Materialverhaltens, da es erst nach dem Überschreiten der kritischen Belastung zum Plastizieren in der Struktur kommt. Im Nachbeulverhalten werden auch die selben Eigenformen beobachtet, wie für den linear elastischen Fall. Aufgrund des Plastizierens im Nachbeulverhalten kommt es schließlich zum kollabieren der Struktur. Wenn das Verhalten der Einheitszelle auf eine mehrzellige Gitterstruktur anwendbar ist, bedeutet dies nicht nur, dass es möglich ist, die maximale Druckbelastung um bis zu einem Faktor 5,5 zu steigern, sondern auch, dass die Eigenschaften der Struktur ohne eine massive Masseänderung über die Seilvorspannung für die Anwendung spezifisch eingestellt werden können.

Cellular and lattice materials are used in many technical applications due to their high strength to weight ration. Lattice materials and structures often consist of slender beam like members. Therefore, the maximal load under various loading conditions is limited by the occurrence of structural instabilities. In this work, it shall be investigated if a lattice structure can be stabilised by pre-tensioning using fibres. The main task is to evaluate the critical loads of the structure and the post-buckling behaviour in dependence of the pre-stress in the fibres. The lattice structure consist of a cross-like structure made of epoxy which is pre stressed by carbon fibres connected on the ends of the structure. The finite element method is employed to evaluate the critical load of the structure and to investigate the post-buckling behaviour. For determining the mechanical behaviour a linear buckling analysis, a non linear quasi static analysis and an accompanied linear eigenfrequency analysis is used. In the model the epoxy structure is discretised with beam elements and the pre-stressed carbon fibres are modelled with truss elements which do not possess any compressive stiffness. Moreover, the influence of the mechanical behaviour of the epoxy structure on the structural behaviour is investigated where a linear elastic and elastic-ideal-plastic material behaviour is assumed. It is shown that at an optimum pretension the buckling load of the structure can be increased by a factor of 4 (3D structure) to 5.5 (plane structure) in the fibres in comparison to the structure without any fibers. For the optimum pretension the bucking load and the maximum load are equal. For pretensions smaller than the optimum pre-stress the buckling load increases linearly with increasing pre-stress. For pre-stresses higher than the optimum one the buckling load decreases with increasing pre-stress. In both cases the load can be increased beyond the critical load until the maximum load of the structure is reached. The maximum load is almost constant and is 4 to 5.5 times higher of the buckling load of the untensioned structure. Using the elasto plastic material behaviour has no influence on the critical load. In the post-buckling regime, the same modes as for the elastic material can be observed. However due to plastic yielding in the post-buckling regime a significant drop in load carrying capacity of the structure occurs eventually collapses in the post-buckling regime. If the results of the primitive cell hold also true for a cellular structure than this would lead to lattice materials with a much higher compressive strength and the material properties could be adjusted towards the application with almost no changes in mass.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-131699
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11487
Library ID: AC15530566
Organisation: E317 - Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Show full item record

Page view(s)

24
checked on Feb 21, 2021

Download(s)

16
checked on Feb 21, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.