Lightweight structural methods for increasing the buckling load and fundamental frequency of thin-walled structures

Abstract

Stabilitätsverlust von Strukturen (Verlust der Stabilität von Gleichgewichtszuständen) stellt eine Versagensart dar, welche bevorzugt bei im Leichtbau vorkommenden, schlanken bzw. dünnwandigen Konstruktionen auftreten kann. Um eine Erhöhung der kritischen Last einerseits, oder, bei gleicher Last, eine Erhöhung der Sicherheit andererseits zu erreichen, sind konstruktive Maßnahmen, meist in Verbindung mit Versteifungen, erforderlich. Ähnliches gilt auch für die Eigenfrequenzen, als eine dynamische Eigenschaft einer Struktur. Im Betrieb sollte keine Struktureigenfrequenz angeregt werden,um Resonanzphänomene zu verhindern. Auch hierbei wird konstruktiv meist durch das Anbringen von Versteifungen vorgegangen, um die Eigenfrequenzen zu erhöhen und aus Frequenz-Bereichen, welche durch Betriebszustände angeregt werden, zu entfernen. Allerdings wird durch eine Anbringung von Versteifungen die Masse des Bauteils erhöht, und es wird auch die ursprüngliche Geometrie verändert.<br />Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung und Bewertung von unterschiedlichen Möglichkeiten der Strukturveränderung um die Beulstabilität einer Struktur zu erhöhen. Ein weiteres Ziel ist die Anhebung der Eigenfrequenz, im Sinne der Steigerung der Grundfrequenz, der Struktur. Beide Zielsetzungen sollen ohne Massenzunahme und ohne bzw. nur mit kleinen Änderungen der Bauteilgeometrie verfolgt werden. Abschließend soll auch der Produktionsprozess Profilwalzen in Hinblick auf die Stabilität des resultierenden Produktes als auch in Hinblick auf die Wirkung von im Endprodukt vorhandenen Eigenspannungen (prozessbedingt) untersucht werden. In einem Bauteil enthaltene Eigenspannungen können nachweislich die Funktion von Versteifungen übernehmen. Strukturen welche vorteilhafte Eigenspannungen enthalten (im vorliegenden Fall wird zur Eigenspannungseinbringung eine thermische Behandlung mit Laserstrahlung verwendet), erfahren eine derartige Versteifung sowohl in Hinblick auf ihr Stabilitäts- als auch ihr Eigenfrequenzverhalten, ohne dabei eine zusätzliche Massenerhöhung zu erfordern. Verschiedene untersuchte Laserbehandlungen resultieren in unterschiedlichen Eigenspannungsverteilungen in der behandelten Struktur. Allerdings kommt es zu Deformationen während der Laserbehandlung und in deren Folge.<br />Diese Deformationen sollen möglichst klein gehalten werden. Weiters werden auch Vergleiche mit experimentellen Untersuchungen durchgeführt.<br />Die Einbringung von Sicken, als klassische, geometrieverändernde Versteifungsmethode für dünnwandige Strukturen, wird ebenfalls in der vorliegenden Arbeit untersucht. Die hierbei eingebrachte Geometrie obliegt in der Praxis eher einem 'trial and error' Prinzip bzw. wird sie unter Hinzuziehen von Tabellenwerken gefunden. Ein Sicken-Algorithmus zur Auffindung von geeigneten Geometriepfaden zur Verlegung von Sicken wird beschrieben und bei unterschiedlichen Strukturen angewendet.<br />Während des Profilwalzens, als Beispiel eines kontinuierlichen Verformungsprozesses dünner Blechstreifen, kann es bereits während des Umformprozesses aber auch im gewalzten Halbzeug zum Auftreten von Instabilitäten kommen. Zusätzlich können die im Fertigprodukt enthaltenen Eigenspannungen maßgebliche Eigenschaftsänderungen im Stabilitäts- und Eigenfrequenzverhalten bewirken. Beides wird in gegenständlicher Arbeit unter Zuhilfenahme numerischer Verfahren untersucht.<br />

Stability loss of a structure demonstrates a mode of failure which preferentially occurs for slender or thin-walled structures as typical in the lightweight design. For increasing critical loads or enhancing safety margins for given loads, constructive measures, especially the usage of stiffeners, are often required. Similar holds for the eigenfrequency representing a dynamic characteristic of a structure. Under usage structural eigenfrequencies of a structure should not be excited in order to avoid resonance phenomena.<br />Also, in this case, design solutions often comprise the application of stiffeners to increase the eigenfrequencies and shift them to higher frequency-domains, which are not being excited by operating states.<br />Typically an installation of stiffeners results in a mass increase as well as a geometry change of the concerned structure. Aim of the thesis at hand is the investigation and evaluation of different possibilities of structural modifications to enhance the buckling stability. Further goal is a raise of the eigenfrequency in terms of increasing a structure's fundamental frequency. Both of these aims should be achived without mass increase and with either no or very small changes in geometry. Finally the manufacturing process roll forming is investigated in terms of stability of the resulting product and the effects of process-related residual stresses present in the final product.<br />It can be shown that residual stresses, contained in a part or structure, can act as stiffeners. Structures containing advantageous residual stresses (in present case laser irradiation is used as thermal treatement to introduce residual stresses) are stiffened according to their buckling behaviour and in terms of an enhancement of their eigenfrequency without the necessity of adding additional mass.<br />Different kinds of laser treatment result in different residual stress distributions within the affected structure. Deformations during and after the laser treatment should be kept as small as possible.<br />Further investigations are comparisons with experimentally found results.<br />An introduction of beads, representing a classical, geometry-changing stiffening method for thin-walled structures is also investigated within the current work. Presently geometries in that case are predominantly gained by trial and error principle or found in literature. A bead laying algorithm for finding suitable geometry pathes for the beads is described and applied to different structures. During the roll forming process, representing a continuous forming process of thin metall strips, the undesired occurence of instabilities during the forming process as well as in the deformed semi-finished product is possible.<br />Additionally, residual stresses within the finished product can result in significant changes in its stability- and eigenfrequency behaviour.<br />Both is investigated in the present work under usage of numerical methods.