Entwicklung eines instrumentierten Klein-Fallprüfstandes für Standard-Normversuche an ebenen Platten und Rohrkörpern

Es wurde ein instrumentiertes Klein-Fallwerk konstruiert, welches für die Durchführung von Impactversuchen, Stauchversuchen und Kerbschlagbiegeversuchen an verschiedenen Geometrien geeignet ist. Es ist eine Rückprallbremse entwickelt worden, welches das merhmalige Auftreffen des Schlagkörpers auf der Probe verhindert. Es sind diverse Sicherheitsvorkehrungen getroffen worden, sodass Personenschaden vermieden wird. Mit Hilfe des piezoelektronischen Sensors, des Beschleunigungssensors und der dazugehörigen Datenerfassung ist es möglich, die Kraft in Abhängigkeit vom Weg darzustellen. Des Weiteren ist es möglich, den Versuchsverlauf optisch vonn unten aufzunehmen

DBF-SAR Antennenhalter OP-228FU-16-01.00 Materialtests

Im Rahmen der Modifikation OP-228FU-16-01.00 wird ein neuer Antennenhalter für die Do 228- 212 (D-CFFU) entwickelt. Der Antennenhalter ist auf der Steuerbordseite am Heck der D-CFFU hinter der Fahrwerksbeule positioniert. Er bietet Platz für ein Antennenpanel zur Integration einzelner Antennen in den Antennenhalter. Die Antenne und Antennenhalter sind nach außen verkleidet. Nach hinten schließt die Verkleidung mit einem Spoiler ab. Die seitlichen abwickelbaren Flächen werden vornehmlich mit Aluminiumblech verkleidet. Alle restlichen Flächen sind aus GFK. Ziel ist das Verkleidungsmaterial aus Glasfaser verstärkter Kunststoff und Sandwich zu qualifizieren, unter Einhaltung der Materialvorschriften nach MIL-HDBK-17 [1]. Zur Sicherstellung der Composite Material Festigkeit sollen vor der Fertigung der finalen Konstruktion Coupons gefertigt und getestet werden. Im Anhang befinden sich die Protokolle der Zug-, Druck-, Biege-, Lochleibungs- und Sandwich Biegeversuche. Das untersuchte Glasgewebe ist LN9169, WL8.4565.60 mit dem Epoxidharzsystem L20/ EPH161. Der Sandwichkern besteht aus Aramid Waben LN29967-5.3650.10 mit einer Wabenweite von 3.2 mm und einer Wabenhöhe von 10mm

Numerical Investigations of Adhesive CFRP-Joints and Determination of Transverse Properties of the Adherends

Within the DLR (German Aerospace Center) project Next Generation Car adhesive joints of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) are investigated. The focus was set on a numerical model to predict the failure mode (surface ply failure, delamination or adhesive failure) depending on the stacking sequence of the laminate. In a first step, the five-point bending test was evaluated and chosen to measure the out-of-plane shear strength of a woven fabric and unidirectional CFRPs with various fiber angles. The results from the Digital Image Correlation (DIC) were compared to analytical and numerical models. An evaluation routine was derived to assess the out-of-plane shear properties of the CFRP. Finally, fine discretized numerical models of single-lap joint (SLJ) specimens were discussed and compared to tests

Entwicklung einer numerischen Prozesskette zur Simulation vom SPR-Fügeverfahren und von SPR-Verbindungen unter Crashbelastung

Self-piercing riveting hat sich trotz des jungen Alters in der Automobilindustrie in weiten Bereichen als Fügeverfahren etabliert. Vorteile des Verfahrens liegen bei der Möglichkeit unterschiedliche Materialien zu fügen (von Metallen bis hin auf Faserverbundmaterialien), in der einfachen Handhabung, hohen Festigkeiten (insbesondere Crash und Dauerfestigkeit) und der geringen Anzahl an Verfahrensschritten. Anders als klassische Niet- und Schraubverbindungen ist beim SPR kein Vorbohren nötig, denn die Niete schneiden und formen sich selber ihr Loch in das Material, wobei das unterste Material nicht komplett durchschnitten wird. Die Simulation von SPR-Fügungen stellt aufgrund des komplexen Fügevorgangs Herausforderungen dar. Für jede Prozessparameter oder für jede Geometrie und Material der Fügepartner ergibt sich unterschiedliche mechanischen Eigenschaften der Fügung. Während die Charakterisierung einer einzigen Fügekombination noch einen begrenzten Aufwand benötigt, sind breitere Untersuchungen im Hinblick auf Crashsimulationen zeit- und kostenintensiv. Ziel des Projekts ist es, die mechanischen Eigenschaften einer SPR-Fügung auf reiner virtuellen Basis mit Prozesssimulationen zu gewinnen. Durch die Validierung der Prozesskette, könnten nachträglich unterschiedliche Kombinationen von Materialien simuliert werden und dadurch den experimentellen Aufwand reduzieren

Joining-technique selection for complex multi-material structures focusing on the mechanical behaviour of adhesive joints

The trend to use multi-material structures in automotive lightweight design leads to an increasing diversity of joining techniques being applied. In structural components, these often can be combined in a large number of possible joining-technique configurations. This poses a challenge for engineers to choose the optimal configuration. The vision is to automate and facilitate the selection of a mechanically optimal joining-technique configuration in a software environment. Since adhesive solutions are crucial to multi-material designs, the initial focus of the current studies is on epoxy and polyurethane adhesive bonds. As a basis, a universal application-oriented characterization approach for adhesive bonds, developed at DLR, is used. Aiming at full-scale crash models, this approach incorporates cohesive-zone elements due to their high computation efficiency. To optimize the joining configuration, validation starts at the single configuration, proceeding to the optimization process. The cohesive-zone simulation method is applied to develop a validation specimen that exhibits non-trivial deformation during testing. Compared to structural applications, for research purposes, this multiple-joint specimen reduces complexity in the optimization process. It comprises three joints into one sample; for each joint two different adhesives can be chosen. The specimen is shown in the figure. In a tensile test, each joint is dominated by a different stress state - normal, shear and peeling. In that way a complex load case is achieved, for which the first-failing joint and the optimal joining-technique configuration is determined in simulation and validated by experiments

Numerical and experimental investigations of thick-wall composite hydrogen tanks

Hydrogen-powered fuel cells have established as one of the main emission-free alternatives to combustion engines in a broad range of transportation systems. This technology is however limited by the lower energy content of hydrogen on a volume basis compared to fossil fuels. For the mass market, high-pressure tanks have to be further developed so that costs fall while maintaining high performances. Type IV composite pressure vessels are submitted to high internal mechanical loading at 700 bars and require the manufacturing of thick-wall laminates. To achieve optimal sizing and save weight, predictive numerical solutions need to be developed to simulate the complex failure mechanisms in thick-walled laminates under various loading scenarios. Moreover, the in-situ laminate layup and quality are strongly dependent on the manufacturing processes (i.e. winding technology) and can influence the mechanical potential of the vessel. It is therefore necessary to first investigate local fibre architecture in pressure vessels and determine the local material properties. In the presented work, carbon fibre reinforced thermoset pressure vessels have been provided by Mercedes-Benz AG to be investigated at the DLR test facility. Local fibre layups are first investigated with the Computer Tomography (CT) technology on small in-situ cylindrical specimens and used as input for the simulation. In a second step, failure mechanisms are investigated with the Digital Image Correlation (DIC) technique with special focus on delamination effects. Impact tests are finally performed in the DLR drop tower facility in Stuttgart on several energy levels to estimate the impact performances of tank segments. Simulating the behaviour of thick-wall composites necessitates the use of special modelling methods compared to classical thin-walled laminates. In this work, a stacked-layer approach with TSHELL elements and a cohesive contact formulation is investigated. Digital twins of every experimental tests with their precise boundary conditions are built up with this approach and first ran in a predictive manner. With the developed numerical approach, the simulated mechanical behaviour is in good agreement with the experimentally observed failure patterns and load curves (Figure 1). Furthermore, delamination effects have been accurately reproduced in simulation. Prediction capabilities still have to be improved through the consideration of strain-rate effects in the layers and at the interfaces

Simulation of the high velocity impact of railway ballast on thermoplastic train underbody structures

Railway transportation represents an environmentally friendly alternative to automotive transportation for long distance travel. In the project Next Generation Train of the DLR, new railway solutions are developed for passenger and freight transportation for a broad range of applications (intercity, cargo, long distance). Specifically, the high-speed train NGT HST aims at reducing travel times and specific energy consumption with new technologies. At the maximal operating speed of 400 km/h, the coupling of mechanical and aerodynamical forces leads to increasing risks of ballast stone impact on the train structures (in particular underbody structures), thus threatening primary components underneath [1]. Through the repetition of stone impacts during the entire lifetime of a structure, critical damage can occur and reparation or replacement concepts are required. The present work aims at investigating an impact-resistant underbody structure made out thermoplastic composite materials for the HST train on numerical and experimental basis. By considering multiple impact scenario in the structure sizing process, the project intends to reduce the interval at which the structure has to be replaced. Starting with two combinations of thermoplastics and preforms, an experimental test campaign is performed on specimen scale to investigate their impact resistance at low velocities. The most promising material is then tested on component level under high-velocity impact at the gas gun DLR facility. Tests on single ballast stones are performed as well for validation of the numerical methodology. As support to time and material expensive test methods, a numerical framework is developed within LS-DYNA at all levels from low to high impact velocities. The composite parts are automatically modelled with stacked TSHELL and cohesive-element interfaces via *PART_STACKED_ELEMENTS. Composite materials and interface use the state-of-the-art material models *MAT_262 and *MAT_240 respectively. Random ballast stones geometries are automatically generated with the Voronoi tessellation and simulated with DEM particles. The present paper illustrates key aspect of the modelling techniques and their influence on the numerical impact behaviour. Furthermore, achieved results along the test pyramid are presented

Entwicklung und Validierung einer numerischen Simulationsstrategie zur Berechnung von Schotterschlägen auf Bahnstrukturen

Im Projekt NGT-BIT werden Konzepte für neuartige Schienenfahrzeugstrukturen entwickelt, welche durch unterschiedliche Anwendungsszenarien gesteuert sind. In den letzten Projektphasen wurde ein Fahrzeugskonzept für den Hochgeschwindigkeitstriebwagengüterzugs NGT CARGO entwickelt. In dieser Phase des NGT-Projekts soll ein neues Doppelfahrwerk für eine Nutzung im NGT CARGO und im NGT HST entwickelt werden, welche ähnliche Anforderungen besitzen. Speziell werden beide Zügekonfigurationen bis einer Einsatzgeschwindigkeit von 400 km/h ausgelegt. Die Bauräume und die Entwicklung des Fahrwerks werden von FK-FLK übernommen und dem DLR-BT zur Verfügung gestellt. Die Entwicklung eines Konzepts für die Unterbodenverkleidung erfolgt bei BT-BGF. Das Konzept besteht aus faserverstärkten ebenen Platten, welche mit einer omegaförmigen Struktur verstärkt sind. Die Anbindung zwischen den primären und sekundären Platten und zwischen der Verkleidung und dem Unterboden erfolgt mit einem zähen Elastomer. Bei BT-SIN wird letztendlich eine Auslegung bezüglich Impactresistanz im Fall eines Schotterschlags stattfinden. Diese Auslegung basiert auf einen Einsatz des NGT CARGOs auf Schotteroberbau. Einen Einsatz auf fester Fahrbahn wird nicht ins Betracht gezogen

Next Generation Train - Auslegung einer Unterbodenverkleidung aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen unter Schotterschlag

Railway transportation represents an environmentally friendly alternative to automotive transportation for long distance travel. In the project Next Generation Train of the DLR, new railway solutions are developed for passenger and freight transportation for a broad range of applications (intercity, cargo, long distance…). Specifically, the high-speed train NGT HST aims at reducing travel times and specific energy consumption with new technologies. At the maximal operating speed of 400 km/h, the coupling of mechanical and aerodynamical forces leads to increasing risks of ballast stone impact on the train structures (in particular underbody structures), thus threatening primary components underneath. Through the repetition of stone impacts during the entire lifetime of a structure, critical damage can occur and reparation or replacement concepts are required. The present work aims at investigating an impact-resistant underbody structure made out thermoplastic composite materials for the HST train on numerical and experimental basis. By considering multiple impact scenario in the structure sizing process, the project intends to reduce the interval at which the structure has to be replaced and to lower security factors. Starting with two combinations of thermoplastics and preforms, an experimental test campaign is performed on specimen scale to investigate their impact resistance at low velocities. The most promising material is then tested on component level under high-velocity impact at the gas gun DLR facility. Tests on single ballast stones are performed as well for validation of the numerical methodology. As support to time and material expensive test methods, a numerical framework is developed within LS-DYNA at all levels from low to high impact velocities. The composite parts are automatically modelled with stacked TSHELL and cohesive-element interfaces via *PART_STACKED_ELEMENT. Composite materials and interface use the state-of-the-art material models *MAT_262 and *MAT_240 respectively. Random ballast stones geometries are automatically generated with the Voronoi tessellation and simulated with DEM particles