ISBN 978-3-8439-1927-2

978-3-8439-1927-2, Reihe Ingenieurwissenschaften

Jürgen Ilg
Bestimmung, Verifikation und Anwendung frequenzabhängiger mechanischer Materialkennwerte

176 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die simulationsbasierte Entwicklung technischer Produkte erfordert neben effizienten Werkzeugen verlässliche Materialparameter. Bekannte Methoden zur Bestimmung mechanischer Materialparameter bringen meist eine Reihe von Einschränkungen mit sich. Die Untersuchung von Frequenz- und Temperaturabhängigkeit, sowie anisotropen Materialeigenschaften kann mit keiner Methodik ganzheitlich erfolgen. Zudem stehen mit dem aktuellen Trend in Richtung adaptiver Werkstoffe auch Sensor- und Aktormaterialien, wie z.B. Piezokeramiken, im Fokus der Materialparameterbestimmung. Daher wurde ein neues Verfahren entwickelt, das die Bestimmung frequenzabhängiger Materialparameter (Elastizitätstensor, Dämpfungsfaktor) erlaubt. Das Verfahren basiert auf einem iterativen Prozess, bei dem Simulations- an Messergebnisse durch die zielgerichtete Variation der gesuchten Kennwerte angepasst werden. Als Messgröße dienen Schwingungsübertragungsfunktionen an plattenförmigen oder zylindrischen Probekörpern. Die Anregung der Prüflinge in drei unterschiedlichen Raumrichtungen wird dazu genutzt, auch anisotrope Eigenschaften von Werkstoffen zu untersuchen.

Für die benötigte Modellierung kommen Finite Elemente mit anisotropen hierarchischen Ansatzfunktion höherer Ordnung zum Einsatz. Das frequenzabhängige Materialverhalten wird durch einen funktionalen Zusammenhang zwischen Elastizitätstensor und Frequenz dargestellt, der bekannte viskoelastische Materialmodelle im betrachteten Frequenzbereich gut nachbilden kann. Eine Reihe von Parameterstudien gibt Aufschluss über die Sensitivität unterschiedlicher Schwingungsübertragungsfunktionen bezüglich der gesuchten Materialparameter der Prüfkörper.

Abhängig von Probentyp und angenommener Transversalisotropie des Elastizitätstensors besteht das Inverse Verfahren aus bis zur vier Teilschritten. Durch die Anwendung der Methodik an fiktiven Messdaten kann die Robustheit dieser bewertet werden. Die Berücksichtigung geometrischer Toleranzen bei der Modellierung der Prüfkörper erlaubt es, auch bei Inversen Verfahren die Genauigkeit der identifizierten Materialparameter zu bewerten.

Die entwickelten Verfahren werden auf Prüfkörpern unterschiedlicher Materialklassen – Kunststoffe, Metalle, Glas – angewendet, wodurch die Flexibilität der Methode sowie die Anwendbarkeit für verschiedene Werkstoffe gezeigt wird. Die ermittelten Materialparameter werden auf mehrere Arten verifiziert und an Werkstoffverbunden mit integrierten Piezokeramiken erprobt.