Dimensioning of Punctiform Metal-Composite Joints: A Section-Force Related Failure Criterion: Dimensioning of Punctiform Metal-Composite Joints: A Section-ForceRelated Failure Criterion

Reliable line production processes and simulation tools play a central role for the structural integration of thermoplastic composites in advanced lightweight constructions. Provided that material- adapted joining technologies are available, they can be applied in heavy-duty multi-material designs (MMD). A load-adapted approach was implemented into the new fully automatic and faulttolerant thermo mechanical flow drill joining (FDJ) concept. With this method it is possible to manufacture reproducible high strength FRP/metal-joints within short cycle times and without use of extra joining elements for the first time. The analysis of FDJ joints requires a simplified model of the joint to enable efficient numerical simulations. The present work introduces a strategy in modeling a finite-element based analogous-approach for FDJ-joints with glass fiber reinforced polypropylene and high-strength steel. Combined with a newly developed section-force related failure criterion, it is possible to predict the fundamental failure behavior in multi-axial stress states. The functionality of the holistic approach is illustrated by a demonstrator that represents a part of a car body-in-white structure. The comparison of simulated and experimentally determined failure loads proves the applicability for several combined load cases

Gekrümmte Beton-Leichtbauelemente mit bionisch inspirierten Krafteinleitungssystemen durch Einsatz flexibler GFK-Schalungen

Die Architektur des 21. Jahrhunderts ist geprägt von der freien Formfindung, wobei Ressourceneinsparung in Kombination mit Funktionsintegration immer stärker in den Fokus effizienter Bauweisen rücken. Klassische Werkstoffe, wie z. B. Stahlbeton, stoßen hinsichtlich organischer Formen und Funktionalisierung schnell an ihre Grenzen. Darüber hinaus sind beim Stahlbeton aufgrund der Korrosionsneigung der Stahlbewehrung hohe Betonüberdeckungen gefordert, was der Umsetzung filigraner Bauweisen mit geringen Dicken entgegensteht (s. etwa [1], [2]). Daher ist die Erforschung von neuartigen Betonstrukturen mit Leichtbaueigenschaften unter Anwendung von textilen Bewehrungen seit einigen Jahren Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Arbeiten, z. B. in den DFG-SFB 528 und 532, im BMBF-Vorhaben C³ und zahlreichen internationalen Projekten, z. B. [1], [3]–[5]). [Aus: Ausgangsfragen und Zielsetzung]The architecture of the 21st century is characterized by free form finding, whereby saving resources in combination with functional integration are increasingly important for efficient construction methods. Classic materials, such as steel reinforced concrete, quickly reach their limits in terms of organic shapes and functionalization. In addition, due to the corrosion tendency of the steel reinforcement, high concrete coverings are required, which prevents the implementation of filigree construction methods with small thicknesses (see e.g. [1], [2]). Therefore, the research of new types of concrete structures with lightweight properties using textile reinforcement has been the subject of intensive scientific work for some years, e.g. DFG–SFB 528 and 532, BMBF project C³ and numerous international projects, e.g. [1], [3]–[5]). [Off: Initial questions and objectives

Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken

Zur effizienten Fertigung gekrümmter Freiformschalen mit großen Abmessungen wurde ein neuer konstruktiv-technologischer Lösungsansatz in Form eines flexibel formbaren, mehrschichtigen Schalungssystems aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) erarbeitet. Diese GFK-Schalungselemente gestatten unter Ausnutzung ihres anisotropiebedingten Strukturverhaltens eine gezielte Einstellung von definierten Krümmungszuständen. In umfassenden Untersuchungen zum Systemaufbau der entwickelten GFK-Schalungen und Beton-Leichtbauelemente mit stabilisierten Abstandsgewirken wurden repräsentative, gekrümmte Freiformflächen mit verschiedenen Krümmungsradien entworfen, numerisch berechnet, hergestellt sowie die Konturengenauigkeit und die belastungsgerechte Integration der Gewirke verifiziert

Naturanaloge Optimierungsverfahren zur Auslegung von Faserverbundstrukturen

Die vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können.The full utilization of the light weight potential in the dimensioning of multilayer fiber reinforced composites requires suitable optimization tools, since a large number of design variables has to be taken into account. In this work, optimization algorithms and strategies for the solution of scientific questions for industrial applications are developed and evaluated in the design of corresponding fiber-plastic composites. In order to show the wide range of applications, three different representative topics have been chosen. It will carry out a strength optimization for multilayer composites with regard to a type-related failure criterion, devolop a damping model for material characterization and established a bivalent optimization strategy for the design of wound high-pressure vessels. The developed methods are based on stochastic natural-analog optimization heuristics, since the considered tasks are not convex and such methods can be used in a very flexible manner

Multikriterielle Simulation und Optimierung im Leichtbau

Das Hauptanliegen des Bundesexellenzclusters MERGE: Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen ist die Verwendung von prozesstauglichen Technologien zur resourceneffizienten Herstellung von Leichtbaustrukturen in Mischbauweise. In der Interactive Domain (IRD): Modelling, Integrative Simulation and Optimization des Cluster of Excellence „MERGE“ werden ganzheitliche und durchgängige Simulationsketten entwickelt, um das Werkstoffverhalten von unterschiedlichen Materialgruppen unter Berücksichtigung prozessbedingter und belastungsspezifischer Restriktionen aufeinander abzustimmen. Die Bauteileigenschaften und Randbedingungen bei der Herstellung der Hybridbauteile hängen dabei, neben den verwendeten Materialkombinationen (Kunststoffe, Faserverbunde, Metalle), in starkem Maße von den zugrundeliegenden Fertigungsprozessen ab. Insbesondere die multikriterielle Optimierung -- von der Herstellung bis zum belasteten Bauteil -- benötigt eine Vielzahl an aufwändigen Simulationen die ein effizientes Datenmanagement sowie verteilten Berechnungsumgebungen erfordern.The main objective of the Cluster of Excellence “MERGE”: Merge Technologies for Multifunctional Lightweight Structures is the use of process technologies suitable for resource-efficient production of lightweight structures in composite design. In the Interactive Research Domain (IRD): Modelling, Simulation and Optimization of Cluster of Excellence "MERGE" holistic and integrated simulation chains are designed to match the material behavior of different groups of materials under consideration of process-related and load specific restrictions. The component properties and constraints in the production of hybrid components depend in addition to the used material combinations (fiber reinforced plastics and metals) largely on the underlying production process. In particular, the multicriteria optimization - from manufacturing process until the loaded lightweight structure -- requires a large number of complex simulations which require an efficient data management and distributed computing environments

An application of asymmetrical glass fibre-reinforced plastics for the manufacture of curved fibre reinforced concrete

There was developed a novel technological and constructive approach for the low-cost production of curved freeform formworks, which allow the production of single and double-curved fibre reinforced concrete. The scheduled approach was based on a flexible, asymmetrical multi-layered formwork system, which consists of glass-fibre reinforced plastic (GFRP). By using of the unusual anisotropic structural behavior, these GFRP formwork elements permitted a specific adjustment of defined curvature. The system design of the developed GFRP formwork was examined exhaustively. There were designed, numerically computed and produced prototypical curved freeform surfaces with different curvature radii. The fibre reinforced concrete had a compressive strength of 101.4 MPa and a 3-point bending tensile strength of 17.41 MPa. Beyond that, it was ensured that the TRC had a high durability, which has been shown by the capillary suction of de-icing solution and freeze thaw test with a total amount of scaled material of 874 g/m² and a relative dynamic E-Modulus of 100% after 28 freeze-thaw cycles

An application of asymmetrical glass fibre-reinforced plastics for the manufacture of curved fibre reinforced concrete

There was developed a novel technological and constructive approach for the low-cost production of curved freeform formworks, which allow the production of single and double-curved fibre reinforced concrete. The scheduled approach was based on a flexible, asymmetrical multi-layered formwork system, which consists of glass-fibre reinforced plastic (GFRP). By using of the unusual anisotropic structural behavior, these GFRP formwork elements permitted a specific adjustment of defined curvature. The system design of the developed GFRP formwork was examined exhaustively. There were designed, numerically computed and produced prototypical curved freeform surfaces with different curvature radii. The fibre reinforced concrete had a compressive strength of 101.4 MPa and a 3-point bending tensile strength of 17.41 MPa. Beyond that, it was ensured that the TRC had a high durability, which has been shown by the capillary suction of de-icing solution and freeze thaw test with a total amount of scaled material of 874 g/m² and a relative dynamic E-Modulus of 100% after 28 freeze-thaw cycles

Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken

Zur effizienten Fertigung gekrümmter Freiformschalen mit großen Abmessungen wurde ein neuer konstruktiv-technologischer Lösungsansatz in Form eines flexibel formbaren, mehrschichtigen Schalungssystems aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) erarbeitet. Diese GFK-Schalungselemente gestatten unter Ausnutzung ihres anisotropiebedingten Strukturverhaltens eine gezielte Einstellung von definierten Krümmungszuständen. In umfassenden Untersuchungen zum Systemaufbau der entwickelten GFK-Schalungen und Beton-Leichtbauelemente mit stabilisierten Abstandsgewirken wurden repräsentative, gekrümmte Freiformflächen mit verschiedenen Krümmungsradien entworfen, numerisch berechnet, hergestellt sowie die Konturengenauigkeit und die belastungsgerechte Integration der Gewirke verifiziert

Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken

Die Herstellung mehrfach gekrümmter großflächiger Tragwerke aus Beton erfordert komplexe Schalungskonstruktionen, die in der Regel material- und kostenaufwändig sind [2]. Durch die im Projekt durchgeführte Entwicklung und Erprobung von flexiblen Strukturen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) für den Schalungsbau in Kombination mit dem Einsatz von textilverstärktem Beton sollten diese Defizite behoben werden. [Aus: Ausgangsfragen und Zielsetzung]The practical implementation of large-scale curved concrete elements requires complex formwork constructions, which are rather expensive and therefore reach their limits easily [2]. Flexible glass fibre reinforced plastic (GFRP) formwork to produce textile reinforced concrete elements, which was developed and tested within the project, is expected to eliminate those deficits. [Off: Initial question and objective

Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken

Die Herstellung mehrfach gekrümmter großflächiger Tragwerke aus Beton erfordert komplexe Schalungskonstruktionen, die in der Regel material- und kostenaufwändig sind [2]. Durch die im Projekt durchgeführte Entwicklung und Erprobung von flexiblen Strukturen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) für den Schalungsbau in Kombination mit dem Einsatz von textilverstärktem Beton sollten diese Defizite behoben werden. [Aus: Ausgangsfragen und Zielsetzung]The practical implementation of large-scale curved concrete elements requires complex formwork constructions, which are rather expensive and therefore reach their limits easily [2]. Flexible glass fibre reinforced plastic (GFRP) formwork to produce textile reinforced concrete elements, which was developed and tested within the project, is expected to eliminate those deficits. [Off: Initial question and objective