Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-3752
Authors: Ballhause, Dirk
Title: Diskrete Modellierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Gewebemembranen
Other Titles: Discrete modelling of the deformation and failure of fabric reinforced membranes
Issue Date: 2007
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Bericht aus dem Institut / Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart;49
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-32907
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3769
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3752
ISBN: 978-3-930683-91-8
Abstract: Gewebemembranen spielen als Leichtbaumaterialien eine wichtige Rolle in vielen Ingenieurskonstruktionen aus so verschiedenen Bereichen wie dem Bauwesen, der Luft- und Raumfahrt oder der Seefahrt. Ihr Einsatz ermöglicht eine effiziente Um- oder Überspannung von großen Volumen oder Flächen bei geringem Strukturgewicht. Aus diesem Grund werden sie unter anderem als Membrandächer, als Hüllenmaterial für Luftschiffe oder als Segelmaterialien für Rennyachten verwendet. Als Verbundwerkstoff aus Gewebe und Beschichtung vereinen sie die Tragwirkung von Gewebestrukturen mit den funktionellen Aufgaben der Beschichtungen, wie beispielsweise der Flüssigkeits- und Gasdichtigkeit.Der mikrostrukturelle Aufbau der Gewebe aus sich kreuzenden Fadengruppen hat einen großen Einfluss auf das Verformungs- und Versagensverhalten dieser Werkstoffe, die sich stark von homogenen Membranmaterialien unterscheiden. Durch die Interaktionen der Fadengruppen ergibt sich einerseits ein teilweise stark nichtlineares Verformungsverhalten, wie es sich in den typischen Effekten der Krümmungsinteraktion und der Schubblockade zeigt, andererseits bedingen sie die diskrete Natur des Versagensvorganges, der durch sukzessives oder kollektives Versagen der Einzelfäden geprägt ist. Die bisherigen Modellierungsansätze für Gewebematerialien sind nur bedingt in der Lage, diesen Mikrostruktureinfluss in eine Strukturberechnung zu integrieren. Durch eine direkte Repräsentation der Fadenstruktur in abstrahierter Form und die Anwendung der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) als effizientes Berechnungsverfahren eröffnen sich hier neue Möglichkeiten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine diskrete Modelldarstellung von Geweben und Gewebemembranen entwickelt. Die abstrahierte Repräsentation orientiert sich an der in der Literatur als Dreiecksmodell bekannten und bewährten Linearisierung des Fadenverlaufs zwischen den Fadenkreuzungspunkten.Die derartig abgebildete Gewebeeinheitszelle, die kleinste sich wiederholende Fadenstruktur des Gewebes, wird vielfach aneinandergereiht und ergibt so ein makroskopisches Gewebestück. Das Gesamtsystem kann dann mit der Methode der diskreten Elemente berechnet werden und es entsteht ein Modell zur Simulation des makroskopischen Verhaltens von Gewebematerialien mit einer direkten Repräsentation der Mikrostruktur. Die makroskopisch als Nichtlinearitäten auftretenden Fadeninteraktionen ergeben sich dabei ohne weitere Annahmen aus der gewählten Darstellung der Fadenstruktur. Im ersten Teil der Arbeit wird diese diskrete Modelldarstellung entwickelt. Die zur Repräsentation der Verformungsmechanismen von Geweben notwendigen Interaktionen der Mikrostruktur werden erarbeitet und implementiert. Das Gewebemodell wird durch Hinzunahme von weiteren Interaktionen für die Beschichtung zum Gewebemembranmodell erweitert. Anhand von experimentellen Untersuchungen an verschiedenen Modellmaterialien, die den Bereich vom unbeschichteten Gewebe zur sehr steifen Gewebemembran abdecken, wird einerseits nachgewiesen, dass sich das beobachtete typische Gewebeverhalten mit dem Modell abbilden lässt, andererseits wird eine mögliche Vorgehensweise zur Modellanpassung an reale Materialien demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Erweiterung des Gewebemembranmodells auf die Beschreibung des Versagensverhaltens. Hierbei können die Möglichkeiten der direkten Mikrostrukturrepräsentation voll ausgeschöpft werden. Zum einen lassen sich durch diesen Ansatz die theoretischen Modelle zur statistischen Beschreibung des Versagens von Geweben in eine Strukturberechnung integrieren, zum anderen kann das Zerreißen des Verbunds aus Gewebe und Beschichtung realitätsnah abgebildet werden. Das entstehende Gewebemembranmodell ermöglicht anhand von praxisnahen Anwendungsfällen, wie dem ein- und zweiachsigen Weiterreißversuch oder dem Berstversuch, die Untersuchung der Interaktionen und gegenseitigen Beeinflussungen der Gewebestruktur und ihrer Beschichtung und kann so ein tiefgreifenderes Verständnis der Vorgänge bei Strukturversagen von Gewebemembranen schaffen.
Fabric reinforced membranes are a class of lightweight materials which are important for many different engineering branches like civil, aeronautical or marine engineering. They can be used to efficiently cover big areas or enclose large volumes with a minimum of structural weight. Applications as membrane roofs, airship skins or sail materials demonstrate their capabilities. Constructed as a composite of a fabric embedded in or coated with matrix material, they combine the load carrying capabilities of fabrics with the functional tasks of the coating in order to obtain strong fluid- or gas-tight materials. Due to the microstructure of the fabrics, which consists of crossing groups of yarns, the macroscopic deformation and failure behaviour of fabric reinforced membranes differs strongly from the behaviour observed in common homogeneous membrane materials. The interactions of the yarn groups lead to a non-linear deformation behaviour like crimp interchange or shear locking and cause the discrete nature of the failure process, which is characterised by a successive or collective tearing of the single yarns. The majority of the existing modelling approaches for fabric membranes cannot fully integrate this microstructural influence in a simulation on structural level. The representation of the fabric as a continuum, as applied in finite element simulations, can include the nonlinear material behaviour stemming from the yarn structure, but its the deformations and interactions are not considered. A direct abstract representation of the yarn structure and the application of the Discrete Element Method (DEM) as an efficient solution technique will open up new possibilities in this field. In the present work a discrete model for fabrics and fabric membranes is developed. The abstract representation of the yarn structure applies the well-known and proven simplification of linearised yarn paths between the crossing points. A multitude of this generated unit cells - the smallest repeatable structure unit of the fabric - are assembled to build a macroscopic patch of fabric. The system can then be solved with the Discrete Element Method and a model for fabric membranes, allowing a direct microstructure representation in simulations on a structural level is obtained. The macroscopic non-linearities that stem from the interactions of the yarns implicitly arise from the representation of the yarn structure without the need for further assumptions. Experimental results for the deformation behaviour of different fabric membrane materials are obtained, which span the range from a pure, uncoated fabric to a stiff fabric reinforced membrane. Uniaxial, biaxial and bias extension tests are performed with these materials. Based on the obtained data, the applicability of the developed model is proven and a possible strategy for the parameter identification is demonstrated. In the second part of the work the model is extended to the description of the failure process. The obtained model makes use of the full capabilities of the approach with a direct microstructure representation. It enables an integration of the theoretical models for the statistical damage description into a simulation on a structural level. Furthermore it is capable to reproduce in a realistic manner the tearing and rupture process of the fabric membranes. The developed discrete model for fabric reinforced membrane allows the exploration of the interactions of the yarns and the influence of the coating materials in the simulation of experimental setups like the uniaxial or biaxial tearing or the bursting test, as demonstrated in the final part of this work. Its application can lead to a deeper understanding of the processes that characterise the failure of fabric membranes.
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