Experimental and numerical investigations to quantify the elastic deformation behavior of steel-reinforced hydraulic hoses

Abstract

Hydraulic hoses are essential components of many different industrial devices and machines. In order to assure sufficient load-carrying capacity, hydraulic hoses are mostly made of steel-reinforced rubber. One of the main difficulties in designing the exact composition and structure of steel-reinforced rubber hoses is finding the required balance between the actual loading of the hoses and the provided resistance against rupture or cracking. Classically, this was done by testing representative samples experimentally. Given the nowadays available, powerful computer systems it seems reasonable to complement experiments by computer simulations, in order to interand extrapolate experimental data points, in efficient manner. This master thesis presents a two-fold approach to contributing to resolving the aforementioned issue, that is to quantify the mechanical behavior of hydraulic hoses by means of both experimental and computer simulation campaigns. Thereby, existing experimental modalities were extended by new protocols, while numerical studies were, due to the involved intricacies, carried out in terms of a feasibility study. As for the experiments, tensile tests without and with additional pressurization, as well as three-point bending tests were carried out. For measuring the thereby occurring displacements, a new image correlation method was implemented. Computational studies, on the other hand, included several techniques, with the so-called submodeling technique turning out to be the most reasonable strategy on the macroscopic level. On the microscopic level, on the other hand, CT imaging served as basis for more detailed models which were supposed to provide additional, localized information. It should be stressed that this work was restricted to singleand double-reinforced hoses and to purely elastic deformations, while ageing effects, and thermal as well as chemical influences were not taken into consideration. The results obtained for tensile and three-point bending tests were consistent and as expected, while the pressurization tests delivered substantially inconsistent results. It is believed that these inconsistencies were caused by the fact that the hydraulic unit used in the tests was not powerful enough, hence the applied pressure was too low. Thus, in future studies, it is recommended to use a more powerful hydraulic unit. The numerical studies yielded plausible results when using beam-type representations of the reinforcement steel on the macroscopic level. On the microscopic level, the studied methods appeared to be, in principle, feasible, but turned out to be both inaccurate and computationally extremely expensive. It is thus recommended to reconsider the modeling strategy from scratch. In this regard, a rigorous multiscale modeling strategy, allowing for upscaling the mechanical properties from the microto the macroscale, seems to be a promising approach.

Hydraulikschläuche werden in vielen technischen Anwendungen als kraftführende Leitungen eingesetzt. Bei deren Konstruktion und Produktion muss eine ausreichende Belastbarkeit gegenüber diversen chemischen und mechanischen Einwirkungen sichergestellt werden. Hydraulikschläuche setzen sich üblicherweise aus mehreren Gummilagen und Verstärkungsschichten zusammen, wobei die Verstärkungsschicht die mechanische Tragfähigkeit bereitstellt und die Gummilagen die Verstärkungsschicht vor äußeren Einflüssen schützt. Die vorliegende Masterarbeit beinhaltet experimentelle und numerische Untersuchungen an Hydraulikschläuchen, um deren mechanisches Verhalten zu quantifizieren. Für die experimentelle Untersuchung der Schläuche wurden neue Prüfprotokolle implementiert, welche verschiedenste Belastungsarten simulieren. Die Durchführung und die Bewertung der numerischen Untersuchungen wurde in Form einer Machbarkeitsstudie durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen beinhalten im Wesentlichen uniaxiale Zugversuche ohne bzw. mit Druckbeaufschlagung sowie 3-Punkt-Biegeversuche. Um die auftretenden Verformungen zu erfassen, wurde zusätzlich eine Bildkorrelationsmethode entwickelt. Für die Durchführung der numerischen Untersuchungen, auf Basis einer Finite-Elemente-Methode, wurde auf der makroskopischen Ebene die sogenannte „Submodelltechnik“ angewendet. Zusätzlich sollten CT-Erfassungen als Basis dienen für die Erstellung von Modellen auf der mikroskopischen Ebene. Es ist zu erwähnen, dass sich diese Arbeit auf die Untersuchung von einfach und doppelt-geflechtverstärkten Hydraulikschläuchen beschränkt. Des Weiteren wird das Verformungsverhalten der Schläuche lediglich im elastischen Regime untersucht. Alterungseffekte, thermische oder chemische Einflüsse werden nicht behandelt. Die experimentellen Untersuchungen lieferten für die Zugund 3-Punkt Biegeversuche konsistente Ergebnisse und entsprachen im Wesentlichen den Erwartungen. Hingegen waren die Ergebnisse für Zugversuche mit zusätzlicher Druckbeaufschlagung äußerst inkonsistent, was auf eine zu geringe Druckbelastung zurückgeführt wurde --- für zukünftige Studien wird eine leistungsfähigere Hydraulikeinheit empfohlen. Die numerischen Untersuchungen lieferten für das auf der makroskopischen Ebene eingesetzte Balkentheorie-Modell plausible Ergebnisse. Die Strategien zur Modellierung auf mikroskopischer Ebene waren zwar generell durchführbar, in dieser Form aber viel zu rechenaufwendig und liefern außerdem unzufriedenstellende Ergebnisse. Um die identifizierten Nachteile der derzeit verfügbaren Modellierungsstrategien auszumerzen, wird ein grundlegendes Überdenken der zur Anwendung kommenden Methoden empfohlen. Ein rigoroser Multiskalenansatz, der die Hochskalierung der mechanischen Eigenschaften von der Mikrozur Makroebene ermöglicht, scheint hierfür ein vielversprechender Ansatz zu sein.