Experimentelle Analyse und Simulation der Verformung luftgefüllter textiler Hüllen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verformung pneumatisch beanspruchter technischer Textilien. Deren experimentelle Analyse und die anschließende Simulation sind Voraussetzung für die Ermittlung von Zuschnitten aus dreidimensionalen Geometrien. Sie bilden einen Teil deren virtuellen Produktentwicklung für Konstruktionen mit technischen Textilien. Dieser Aufgabe widmeten sich im Rahmen eines von der deutschen Forschungsgesellschaft geförderten Forschungsprojekts „Experimentelle Analyse und numerische Modellierung der Deformation dehnfähiger Textilien und deren Wechselwirkung auf Tragkörper“, die Forschungsstellen Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) in Denkendorf, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der Technischen Universität Dresden und der Lehrstuhl für Statik der Technischen Universität München. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung mit Innendruck beaufschlagter textiler Hüllen in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften, die Auswertung der ermittelten experimentellen Daten, die Ausarbeitung der Kennwerte für mechanische Materialmodelle und deren Umsetzung und Optimierung in der numerischen Simulation. Der erste Teil befasst sich mit experimentellen Versuchsaufbauten zum Spannungs-Dehnungsverhalten – sowohl uni- als auch biaxial – und deren mechanischen Grundlagen. Es folgt die Beschreibung und Durchführung von Analysen an mit Innendruck belasteten, zylindrischen Hüllen anhand von drei ausgewählten technischen Textilien. Die Ergebnisse sind in Form von Spannungs-Dehnungsanalysen dargestellt und quantifizieren deren Abhängigkeit von Richtung und Lastfall. Der zweite Teil beinhaltet die Bestimmung von Kennwerten für das orthotrope Materialmodell. Die Validierung der Analyse mit der Methode der Finiten Elemente erfolgt durch den Vergleich der Berechnungsergebnisse mit dem physikalischen Versuch. Als Beispiele dienen der Wölbversuch und der Schlauchversuch. Im dritten Teil wird die Konstruktion einer Biaxial-Zugprüfmaschine vorgestellt, die hauptsächlich für die Baubranche wichtige Prüfaufgaben erfüllen wird und über eine außerordentlich hohe Flexibilität verfügt. Die Arbeit endet mit den Schlussfolgerungen zu Versuchen und Berechnungen sowie einem Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.

This work deals with the deformation behaviour of technical textiles under pneumatic pressure. The experimental analysis and following numerical modelling are basic requirements for developing textile cuts out of the three-dimensional geometries. This is a part of the virtual product development for designing with technical textiles. To perform this task the DFG research project "Experimental analysis and numerical modeling of the deformation of elastic textiles and their interaction as the supporting body" was founded, to which the research bodies of the Institute of Textile Technology and Process Engineering (ITV) in Denkendorf, Institute for Textile Machinery and High Performance Materials Technology (ITM) at the Technical University of Dresden and the Chair of Structural Analysis at the Technical University of Munich were involved. The aim of this work is the study of inflated textile closures in terms of their mechanical properties, the analysis of the obtained data, elaboration of a mechanical material model and its implementation and optimization in numeric simulations. The first part of this paper includes experimental setups – uniaxial as well as biaxial – and their mechanical basics. Then the description and realisation of the tests on an inflated, cylindrical textile closure follows. The evaluation of test results is shown with three different textile materials. The results are displayed in stress-strain analysis and they quantify the pendancy of direction and load case of the textiles. The second part includes the identification of the specific values for the orthotropic material model. The validation of the Finite-Element-Method analysis is given by relating calculation and the physical tests results. As example several tests, the bulging test and the tubular tensile test are listed. The third part shows the technical design of a biaxial tensile testing machine, which is primarily developed for testing methods for textiles in the building industry with an extremely high flexibility. The work is summarized with the conclusions of test results and calculations, and the outlook for future research activities.