Diese Master-Thesis befasst sich mit der numerischen Berechnung der mechanischen Spannungen in einem
Hochspannungsleiter. Dabei interessieren hauptsächlich die lokalen Spannungen in den Kontakten zwischen
den sich kreuzenden Drähten der beiden äussersten Lagen. Zwei Finite-Elemente Modellierungs-Ansätze
werden entwickelt und untersucht. Einerseits wird eine Balken-und-Volumen Hybridmodellierung betrachtet,
andererseits die Balken-zu-Volumen Submodell-Technik. Beginnend mit Modellen eines einlagigen Leiters
werden die Modelle schrittweise erweitert. Es zeigt sich, dass die Balken-und-Volumen Hybridmodellierung
nicht anwendbar ist, da die Rechenzeiten deutlich zu hoch sind. Mit dem entwickelten Balken-zu-Volumenzu-
Volumen Submodell-Ansatz können für ein-, zwei- und vierlagige Hochspannungsleiter die
Kontaktresultate, die mit einem entsprechenden Volumen-Finite-Elemente-Modell simuliert werden, mit
einer Abweichung von weniger als zwölf Prozent reproduziert werden.
This master's thesis deals with the numerical computation of stresses in overhead line conductors. Mainly the
local stresses in the contacts between the crossing wires of the two outermost layers are of interest. Two finite
element modeling approaches are developed and examined. On the one hand beam-and-solid hybrid
modelling is investigated, on the other hand the beam-to-solid submodelling technique is examined. Starting
with models of a single-layered conductor, the models are gradually expanded. It turns out that beam-andsolid
hybrid modelling is not applicable because the computation times are too high. With the developed
beam-to-solid-to-solid submodelling approach, contact results that are simulated with a corresponding solid
finite element model can be reproduced with a deviation of less than twelve percent for single-, two- and
four-layered overhead line conductors.
Sandwich-Strukturen werden überall dort eingesetzt, wo hohe Steifigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht
gefordert sind. Dabei gibt es eine Vielzahl möglicher Materialkombinationen und Versagensarten. Die vorliegende
Bachelor-Thesis behandelt die lokalen Instabilitäten Facesheet Wrinkling, Intracell Buckling und Shear Core
Crimping bei Sandwich-Strukturen mit Composite-Deckschichten und Honigwaben-Kern. Ziel ist es, ein Finite-
Elemente-Modell zu entwickeln, mit welchem diese lokalen Versagensmoden vorhergesagt werden können. Dieses
Modell soll dann mittels geeigneten Versuchen validiert und mit analytischen Formeln aus der Literatur verglichen
werden. Eine vorangegangene Arbeit nahm sich dieser Thematik bereits an. Es gelang dort nicht durchgängig, die
lokalen Instabilitäten in den Versuchen herbeizuführen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse daraus dienten als
Grundlage für diese Arbeit.
Auch in dieser Arbeit gelang das Herbeiführen der lokalen Instabilitäten nicht über alle Versagensmoden hinweg.
Imperfektionen bei den hergestellten Proben und dickere Deckschichten als erwartet lieferten zum Teil
unzufriedenstellende Ergebnisse. Das erstellte Simulationsmodell lieferte für das Facesheet Wrinkling und Shear
Core Crimping eine gute Übereinstimmung mit den Berechnungsformeln. Das Intracell Buckling konnte in der
Simulation nicht herbeigeführt werden.
Sandwich structures are used wherever high stiffness and low weight are required. There are a variety of possible
material combinations and failure modes. This bachelor thesis deals with the local instabilities Facesheet
Wrinkling, Intracell Buckling and Shear Core Crimping in sandwich structures with composite face sheets and
honeycomb core. The goal is to develop a finite element model to predict these local failure modes. This model
should then be validated by suitable experiments and compared with analytical formulas from the literature. A
previous work has already adressed this issue. However, it did not consistently succeed in inducing the local
instabilities in the experiments. The knowledge gained from this previous thesis served as the basis for this work.
In this work too, the local instabilities could not be precipitated across all modes of failure. Imperfections in the
samples produced and thicker facings than expected yielded in partially unsatisfactory results. The created
simulation model provided a good agreement with the calculation formulas for the Facesheet Wrinkling and Shear
Core Crimping. Intracell buckling could not be achieved in the simulation.
Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
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Titel
Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
Partikeldämpfer sind ein wirtschaftliches und effektives Konzept für die passive Reduzierung von
mechanischen Schwingungen über einen grossen Frequenzbereich. Mit dem additiven Fertigungsverfahren
können Bauteile mit innen liegenden Pulverkammern hergestellt werden, welche als additiv gefertigte
Partikeldämpfer bezeichnet werden. In bisherigen Untersuchungen von additiv gefertigten Partikeldämpfern
wurde das nicht lineare Dämpfungsverhalten experimentell bestimmt. Das detaillierte dynamische Verhalten
des metallischen Pulvermaterials in der Kavität ist soweit unbekannt.
Das Ziel dieser Masterthesis ist es, zu bestimmen, wie sich eingeschlossenes Pulvermaterial in einem additiv
gefertigten Partikeldämpfer unter dynamischer Belastung verhält. Dazu werden die folgenden
Forschungsfragen gestellt: (i) Wie kann die Energiedissipation von eingeschlossenem Pulvermaterial
charakterisiert werden? (ii) Und wie können davon die wichtigsten Abhängigkeiten für die
Produktentwicklung von additiv gefertigten Partikeldämpfern abgeleitet werden?
Um die Forschungsfragen zu beantworten, wird das dynamische Verhalten des Pulvermaterials Edelstahl CL
20ES in der Kavität mit der Diskrete Elemente Methode modelliert. Die Diskrete Elemente Methode ist ein
numerisches Berechnungsverfahren für die Simulation von Partikelbewegungen und -interaktionen. Durch
das verwendete Pulvermaterial, welches Partikelgrössen im zweistelligen Mikrometerbereich und eine hohe
Partikelanzahl pro Volumeneinheit hat, ist die Untersuchung nur an skalierten Kavitäten im
Millimeterbereich durchzuführen. Die mit Pulvermaterial befüllten Kavitäten werden unter harmonischer
Weganregung belastet. Aus den Reaktionskräften des Pulvermaterials auf die Kavität wird die
Energiedissipation berechnet. Um die wichtigsten Abhängigkeiten zu untersuchen, werden verschiedene
Kavitätsgrössen, Kavitätsformen, Anregungsamplituden und Anregungsfrequenzen untersucht.
Die Untersuchung zeigt, dass eingeschlossenes Pulvermaterial in Kavitäten unter dynamischer Belastung zu
hoher Energiedissipation führt und dadurch ein effektives Konzept für die passive Schwingungsreduktion ist.
Additiv gefertigte Partikeldämpfer haben einen ähnlichen Mechanismus der Energiedissipation wie der Ein-
Partikeldämpfer oder Aufpralldämpfer. Die Energiedissipation entsteht vor allem durch die unelastischen
Stossvorgänge zwischen Partikeln und Kavität. Die Effizienz des Partikeldämpfers wird aber nur erreicht, wenn die Amplitude genügend gross ist. Diese minimal nötige Amplitude ist abhängig vom Partikelfüllstand
in der Kavität und der Grösse der Kavität. Für die Produktentwicklung von additiv gefertigten
Partikeldämpfern kann gesagt werden, (i) dass mehr Pulvermaterial zu mehr Energiedissipation führt, (ii)
dass das Pulvermaterial im Bauteil an der Stelle mit der grössten Auslenkungsamplitude platziert werden soll,
um eine grössere Energiedissipation zu erreichen und (iii) dass die Kavitätslänge in Bewegungsrichtung
einen positiveren Einfluss auf die Energiedissipation als der Kavitätsquerschnitt in Bewegungsrichtung hat.
Particle dampers are a promising approach for passive reduction of vibrations over a wide frequency range.
With additive manufacturing, it is possible to manufacture parts with embedded powder cavities. In previous
investigations of additive manufactured particle dampers, the non-linear damping behavior was determined
experimentally. The dynamic behavior of the metallic powder in the cavity is unknown.
The goal of this thesis is to determine the dynamic behavior of the internal powder in an additive
manufactured particle damper. The research questions are: (i) How can the energy dissipation of powder be
characterized? (ii) And in addition, what are the main dependencies for the product development of additive
manufactured particle dampers?
In this thesis, the dynamic behavior of the stainless steel CL 20ES powder is modeled with the Discrete
Element Method. The Discrete Element Method is a numerical method for simulation of particle motions and
particle interactions. Due to the powder material used, which has particle sizes in the micrometer range and a
high number of particles per volume, it is only possible to perform this investigation on scaled cavities in the
millimeter range. The dynamic behavior of the powder is determined under harmonic base excitation of the
cavity. The calculation of the energy dissipation is based on the reaction forces of the powder on the cavity.
This work examines the influence of different cavity sizes, cavity shapes, excitation amplitudes and
frequencies on the energy dissipation.
The investigation shows that powder in cavities leads to high-energy dissipation under dynamic vibration.
Due to this, it is an effective concept for passive reduction of vibrations. Additive manufactured particle
dampers have a similar mechanism of energy dissipation as single particle impact dampers or vibration
absorbers. The energy dissipation is caused by the inelastic collision between particles and cavity. The
efficiency of the particle damper is only achieved when the excitation amplitude is large enough. The
minimal required amplitude depends on the amount of particles in the cavity and on the cavity size. The
simulation results provide better understanding of the particle damping mechanisms, which may help in the
design of the next generation of additive manufactured particle dampers. It can be said that (i) more powder
leads to more energy dissipation, (ii) the powder should be positioned in the place with maximum amplitude
to achieve greater energy dissipation and (iii) that the cavity length in the direction of movement has a more
positive influence on the energy dissipation than the cross section in the direction of movement.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit möglichen Gewichtsoptimierungen für das Hauptfahrwerk des
Kleinflugzeugs vom Typ RV-10. Der Hersteller VANS bietet dieses Flugzeug als Eigenbau-Kit an.
Das neue Fahrwerk muss die Zulassungsvorschrift CS-23 vollumfänglich erfüllen. In einem ersten Schritt
sind Untersuchungen zur Bestimmung der Eigenschaften des Standard-Fahrwerks durchgeführt worden.
Basierend auf Steifigkeitsbetrachtungen der Fahrwerkstruktur und Energiebilanzen können die maximal
wirkenden Radlasten bestimmt werden. Die Festigkeitsanalyse hat ergeben, dass das Fahrwerk die
Mindestanforderungen nicht erfüllt. Schon eine Belastung mit «limit load» führt im Fahrwerksbein zu
plastischen Deformationen. Dies konnte durch Original-Berechnungsdokumente, die bei der schweizerischen
Zulassungsstelle (EAS) hinterlegt sind, bestätigt werden.
Beim Lösungskonzept welches sich durchgesetzt hat, ist das Fahrwerk als durchgehende Schwinge konzipiert
und besteht komplett aus GFK-Laminaten. Die entstehende kinetische Energie bei der Landung wird zum
grössten Teil durch die elastische Deformation der Fahrwerksschwinge aufgenommen. Aufgrund der
effizienteren Energieaufnahme des neuen Fahrwerks sinken die maximalen Radlasten um 20 Prozent. Neu
wird das Hauptfahrwerk direkt an den Untergurt des Hauptholmens geklemmt. Die neu entwickelte
Fahrwerksaufhängung ist als Fest- und Loslager konzipiert worden. Die Studie hat gezeigt, dass eine
Gewichtsreduktion des Fahrwerks mit hohem Aufwand möglich ist. Das letztendlich eingesparte Fluggewicht
beläuft sich auf acht Kilogramm, was einer Gewichtsreduktion von 35 Prozent entspricht. Der
Industriepartner hat die Absicht geäussert, das Hauptfahrwerk in zweifacher Ausführung herzustellen. Nebst
dem obligatorischen Droptest bei «limit load» soll ein Fahrwerk ebenfalls einem «ultimate load»-Test
unterzogen werden.
The aim of this thesis was to optimize the weight of the main landing gear of the RV-10, a small aircraft
offered by VANS as a self-assembly kit. The new structure must fully meet the CS-23 certification
requirements. In a first step, investigations have been carried out to determine the characteristics of the
standard landing gear. Based on rigidity considerations of the chassis structure and energy balances, the
maximum effective wheel loads could be determined. The strength analysis has shown that the present
structure does not meet the minimum requirements, that means plastic deformations occur in the landing gear
leg even at «limit load». This was confirmed by the original calculation documents deposited at the Swiss
Approval Authority (EAS).
In the proposed concept, the landing gear is designed as a continuous swing arm and consists entirely of GRP
laminates. The occurring kinetic energy during landing is largely absorbed by the elastic deformation of the
landing gear’s swing arm. Due to the more efficient energy absorption of the new structure, the maximum
wheel loads are reduced by 20 percent. The main landing gear is now clamped directly to the lower flange of
the main spar. The newly developed chassis suspension has been designed as a fixed and floating bearing.
The study has shown that it is possible to reduce the weight of the landing gear at great expense. The final
weight saved amounts to eight kilogram, which corresponds to a weight reduction of 35 percent. The
industrial partner has expressed the intention to manufacture the main landing gear in two versions. In
addition to the obligatory drop test at «limit load», one sample will also be subjected to an «ultimate load»
test.