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Nov 27, 2023

Experimentelle Untersuchung von vier

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7275 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Dünnwandige kaltgeformte Strukturen waren und sind im Maschinenbau sehr beliebte Strukturelemente. Moderne Technologie und Fortschritte in der Werkstofftechnik ermöglichen die Herstellung dünnwandiger kaltgeformter Bauteile in verschiedenen Formen. Daher sind die Kombinationsmöglichkeiten zwischen Technologiemöglichkeiten, Materialeigenschaften, Belastungen und technischen Anforderungen für dünnwandige Komponenten vielfältig und unbegrenzt. Ziel dieser Arbeit ist die Durchführung einer experimentellen Untersuchung kaltgeformter C-Profil-Stahlträger unter Vierpunkt-Biegelasten auf der Grundlage globaler und lokaler Knickphänomene. Es wurde ein Prüfstand mit einem speziell entwickelten Stützsystem entwickelt, um dünnwandige Stahlträger einer Vierpunkt-Biegebelastung auszusetzen, wobei die Stütze und die Lasten auf die Schermitte des Stahlträgers mit offenem Querschnitt aufgebracht wurden. Es zeigt sich, dass es nicht möglich ist, die Drehmomentbelastung eines dünnwandigen Trägers mit einem offenen Abschnitt, bei dem Last und Unterstützung im Scherzentrum wirken, vollständig zu eliminieren, da die untersuchten Träger nicht ideal hergestellt waren. Dünnwandige Träger mit offenem Querschnitt reagieren sehr empfindlich auf Randbedingungen und geometrische Genauigkeit. Auch die Schwerkraft wirkt. Die vorgestellte Forschungsmethodik kann verbessert und mit anderen dünnwandigen Trägern mit offenem Querschnitt getestet werden.

Die Vorteile dünnwandiger kaltgeformter Strukturen gegenüber klassischen metallurgischen Profilen bestehen darin, dass Konstruktionen mit ähnlichen Haltbarkeitseigenschaften viel leichter sind. Darüber hinaus unterliegen kaltgeformte dünnwandige Komponenten hinsichtlich des Umformprozesses weniger Einschränkungen. Die technologische Entwicklung des letzten Jahres eröffnete Möglichkeiten für nahezu jede Kaltumformung von Stahldetails. Analysemethoden mit dünnwandigen Stäben und Balken mit offenem Querschnitt stammen aus der Theorie von Vlasow (1940), in der Annahmen über kleine Verschiebungen und lineare Eigenschaften zwischen Spannungen und Dehnungen die Grundlage für formulierte mathematische Abhängigkeiten bilden. Die Theorie dünnwandiger Träger mit offenem Querschnitt basiert auf Annahmen der Theorie langer Schalen und Platten, wobei strukturelle Steifigkeit, globale und lokale Stabilität die Schlüsselrolle bei der Konstruktion spielen. Einführungen zur theoretischen Stabilität von Stäben, Schalen, Platten und anderen Strukturen werden von Timoshenko und Gere1 beschrieben. Heutzutage gibt es viele Forschungsarbeiten, in denen die Festigkeit und Stabilität dünnwandiger Strukturen für Ingenieure und Wissenschaftler von Interesse ist.

Die Stabilität dünnwandiger Balken mit offenem Querschnitt wurde von Magnucki et al. untersucht. und Magnucka-Blandzi und Zając2. Magnucki et al.3 beschrieben in ihrer Monographie Stabilitätsprobleme bei Problemen der angewandten Mechanik. Sie beschrieben die Stabilität grundlegender Strukturmodelle wie Stäbe, Balken und verbundene Systeme aus Strukturstäben. Sie präsentierten ausführlich die Stabilität dünner rechteckiger oder kreisförmiger Platten und rotierender Schalen. Ihre Arbeit umfasst ein Kapitel über die Stabilität dünnwandiger Träger mit offenen Abschnitten. Die Autoren wandten energiebasierte Methoden auf analytische Studien an und stellten ein praktisches Problem für Stahltankprobleme dar. Sie präsentierten praktische Beispiele für die Anwendung der Finite-Elemente-Methode und moderne Stabilitätstestexperimente. Das Thema der Stabilität dünnwandiger Strukturen wurde auch von Anbarasu4, 5 analysiert. Er präsentierte Ergebnisse des Knickverhaltens von kaltgeformtem Stahl mit dünnwandigen Lippenkanälen. Es wurden experimentelle und rechnerische Forschungsmethoden entwickelt. Die untersuchten Knickmodi, z. B. lokal, verzerrend, lateral und torsional, wurden einem numerischen Modell unterzogen. Der maximale Widerstand und das ausreichende Biegemoment wurden geschätzt. Anbarasu5 ignorierte in seiner Forschung Eigenspannungen und verwendete ein elastisch-perfektes plastisches Materialmodell ohne Kaltverfestigung. Die vorgeschlagene analytische Formel, in der Wechselwirkungen zwischen Knickmodi geschätzt werden, kann ein interessantes Entwurfswerkzeug für Ingenieure sein.

Anbarasu at al.6 und Dar at al.7 präsentierten die Ergebnisse einer experimentellen Studie an dünnwandigen Stahlträgern, die aus Kanälen bestehen, bei denen die Flansche eine Biegung in Form eines Bandes aufweisen – die sogenannten Lipped-Kanäle, die mit positioniert sind Stege relativ zueinander mit einem bestimmten Abstand und Stahlplatten, die durch selbstschneidende Schrauben mit Unterlegscheiben mit den Kanalflanschen verbunden sind. Die getesteten Träger wurden einer 3- und 4-Punkt-Biegung unterzogen. Die getesteten Träger, bestehend aus Stahlkanälen und Plattenflanschen, stellten ein symmetrisches System dar, bei dem sowohl die Richtung der Reaktionskräfte als auch der statischen Last den Schwerpunkt des Abschnitts und den Mittelpunkt der Querkräfte schnitten. An die Enden der Träger wurden Stahlplatten geschweißt, um ein Verziehen des Abschnitts während der Prüfung zu verhindern. Die Autoren wiesen auf die lokale Knickung hin, die die als CFS bezeichneten dünnwandigen Strukturen charakterisiert. In einem anderen Artikel8 stellten die Autoren die Ergebnisse einer Reihe experimenteller Tests mit rechteckigen CFS-Verbundträgern mit Druckflansch vor, die eine höhere Steifigkeit dieser Strukturen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zeigten. Eine weitere experimentelle Studie9 dünnwandiger CFS-Strukturen, die mit Winkelprofilen verstärkt wurden, um die Steifigkeit der Struktur und die Tragfähigkeit des Trägers zu erhöhen. Träger mit sowohl offenen als auch geschlossenen Querschnitten in Vierpunkt-Biegekonfiguration wurden für verschiedene Versteifungssysteme untersucht. In dem Papier wird darauf hingewiesen, dass die richtige Auswahl von Versteifungselementen die Tragfähigkeit und Steifigkeit eines mit CFS-Technologie hergestellten Trägers von 85 auf 100 % erhöht. Im nächsten Artikel präsentierte Ambaransu10 die Ergebnisse einer Simulationsstudie von Trägern mit geschlossenen Abschnitten, die mit CFS-Technologie hergestellt wurden. Unter Bezugnahme auf die Literaturdaten aus experimentellen Studien führte er die Validierung des Simulationsmodells in der Abaqus-Software durch. Die Versuche wurden für unterschiedliche Querschnittsformen der Träger und unterschiedliche Dicken der Einlegeelemente der CFS-Stahlträger durchgeführt.

Eine experimentelle Untersuchung von Knickproblemen für Träger mit asymmetrischem I-Profil wurde von Balasubramanian et al.11 durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit der FEM-Methode verifiziert. Die vorgestellte experimentelle Methodik wurde für Teile mit unterschiedlichem Querschnitt unter Vierpunktbiegung durch Lastkräfte in zwei Pints ​​in der Flanschebene getestet. Für jedes getestete Element wurde eine kritische Belastung angegeben. Belingardi et al.12 untersuchten experimentell dünnwandige Hutkastenträger aus Stahl, bei denen Klebeverbindungen zwischen verbundenen Teilen angebracht wurden. Unter Last wurde eine Dreipunktbiegung durchgeführt. Das Verhalten der drei Arten von Mitgliedern wurde untersucht. Während des Tests wurde eine Verbundlaminatplatte als Schicht zwischen der Probe und dem dünnwandigen Element verwendet. Die Wechselwirkung zwischen Balkenknickmodi für Vierpunktbiegung wurde von Shokouhian et al.13 experimentell, analytisch und mithilfe der Finite-Elemente-Methode entwickelt. Das Knicken und Nachknicken von dünnwandigen Aluminiumlattenstützen, die Druckkräften ausgesetzt sind, wurde von Ziółkowski et al.14 untersucht. Während experimenteller Tests war die Verschiebungskontrolle von Kompressionskräften ein neuer Forschungsvorschlag. Die für experimentelle Tests verwendeten Aluminiumproben waren geometrisch sehr präzise, ​​was sich als sehr wichtiger Faktor bei der experimentellen Forschung an dünnwandigen Strukturen herausstellte. Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumsäulen wurden auch mit Änderungen der Schätzung des Poisson-Verhältnisses genau bestimmt. Während des Experiments verwendeten die Autoren Test-Dehnungsmessstreifen, die an kritischen Stellen aufgeklebt waren, um die Verformung des Kunststoffs zu bestimmen. Als Ergebnis der experimentellen Knickung von Aluminiumsäulen kam es zu plastischem, elastischem und unelastischem Knicken des Materials. Die Autoren unterteilten die betrachteten Exemplare nach ihrer Schlankheit und ihrem Knickmechanismus.

In einem interessanten Artikel von Rusiński et al.15 werden Stabilitätsprobleme dünnwandiger Strukturen beschrieben, bei denen Stahlblechteile dünnwandiger Strukturen durch Punktschweißen verbunden wurden. Die Autoren untersuchten experimentell und rechnerisch mit der FEM-Methode dünnwandige Teile mit geschlossenem Querschnitt unter axialer Druckbelastung. Der Schweißnahtdurchmesser und die Schweißnahtsteigung wurden hinsichtlich des Ausmaßes der Energieabsorption kontrolliert. Alle Strukturelemente werden mit verschiedenen Techniken befestigt. Angewandte Verbindungsmethoden, Technologien und Nutzungsbedingungen können eine Schlüsselrolle bei der Betrachtung der Energieabsorptionseigenschaften und der statischen und dynamischen Stabilität dünnwandiger Strukturen spielen. Dünnwandige Strukturen haben den zusätzlichen praktischen Vorteil, dass sie mechanische Energie ableiten. Eine experimentelle Untersuchung dünnwandiger kaltgeformter Stahlträger, die einer monotonen und zyklischen Belastung ausgesetzt waren, wurde von Calderoni et al.16 durchgeführt. Die dynamische experimentelle Forschung basierte auf Änderungen der Verschiebungsamplitude. Während der monotonen Tests wurden die Reaktionskräfte und die Probenverschiebung gemessen. Basierend auf den erhaltenen Charakteristika der Kraft- und Wegabhängigkeiten wurden einzelne Phasen separiert. Beobachtet werden konnte eine Phase des stabilen Zustands, eine kritische Kraft aufgrund lokaler Knickung und ein instabiler Zustand aufgrund des Zusammenbruchs des getesteten Abschnitts. Beim zyklischen Test wurde festgestellt, dass das Verhalten der untersuchten Balken durch eine fortschreitende Verringerung der Tragfähigkeit gekennzeichnet war. Typischerweise führen lokale Verformungen der Flansche zur Zerstörung des Teils.

In der Arbeit von He et al.17 wurden dünnwandige Träger mit offenem Querschnitt auf Knickprobleme untersucht. Für die Analyse von drei unterschiedlichen Querschnittsformelementen wurden zwei Methoden verwendet: die semianalytische Finite-Strip-Transfer-Matrix-Methode und die Transfer-Matrix-Methode. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit der Simulation der Finite-Elemente-Methode verglichen. Die Autoren beschrieben ausführlich die Entwicklung numerischer Methoden und verschiedener Konzepte, die bei der Knickanalyse angewendet wurden. Untersuchte Bauteile: asymmetrisches E-Profil, symmetrisches I-Profil und X-Profil. Vorgeschlagene Strategien und Knickergebnisse werden verglichen und diskutiert. Die Auswirkung der Unvollkommenheit auf perforierte dünnwandige kaltgeformte Strukturen wurde von Ungureanu et al.18 untersucht. Die experimentellen Untersuchungen wurden von den Autoren durch numerische Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode ergänzt. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass es zur Sicherstellung der Stabilität dünnwandiger kaltumgeformter Strukturen notwendig ist, zusätzlich eine Zuverlässigkeitsanalyse durchzuführen, die bei gegebener Ausfallwahrscheinlichkeit Ergebnisse liefern kann. Eine experimentelle Untersuchung des Bauschinger-Effekts an einem 1 mm dicken dünnen Stahlblech, das Zug- und Vier-Punkt-Biegetests unterzogen wurde, wurde von Kato et al.19 behandelt. Zur Bestimmung der Restspannung in den Proben wurde ein Zugversuch verwendet. Anschließend wurden bei experimentellen Untersuchungen und bei Biegebelastungen Dehnungsmessstreifen verwendet. Daher können Spannung und Restdehnungsniveau für Ingenieure dünnwandiger Strukturen wichtig sein, wenn dynamische Belastungen oder zyklische Be- und Entlastungen Nutzungsbedingungen sind.

Es ist zu beachten, dass die obige Forschung nur einen kleinen Teil der Forschung darstellt, die sich mit der Verwendung dünnwandiger Träger mit offenem Querschnitt als energieabsorbierende Elemente von Sicherheitsbarrieren befasst. Dünnwandige Träger werden auch als energieabsorbierende Elemente im Fahrzeugbau als passiver Schutz eingesetzt. Die Autoren des Artikels Vignjevic et al.20 stellten Forschungsergebnisse zu Stabilitätsstrukturproblemen bei der Fahrzeugsicherheit vor. Kaltgeformte dünnwandige Strukturen werden häufig in Karosseriestrukturen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Bei der Konstruktion moderner Fahrzeugkarosserien liegt der Schwerpunkt auf der passiven Fahrzeugsicherheit. Bei einem Unfall haben die Belastungen unterschiedliche Richtungen, Intensitäten und Angriffsorte. Die erste Stufe der Strukturzerstörung ist die lineare elastische Verformung, dann plastische Verformung und Knickung, Materialriss und Gelenkzerstörung. Der Autor Vignjevic20 bemerkte, dass die Steifigkeit der dünnwandigen Körperstruktur bei Stoßbelastung abnimmt. Wertvolle Beobachtungen stellen eine Einschränkung der Balkentheorie dar, da die Verformung dünnwandiger dynamischer Strukturen direkt von den Materialeigenschaften, dem Herstellungsprozess und dem Design abhängt. In der Arbeit konzentrierte sich Vignjevic20 auf die Energieabsorption durch dünnwandige Strukturen wie rechteckige Balken unter einachsiger und zweiachsiger Zerstörung durch tiefe Biegung. Die dynamische Untersuchung dünnwandiger Strukturen scheint ein notwendiges Forschungsgebiet zu sein.

Die Autoren Obst et al.21 untersuchten experimentell und analytisch dünnwandige Stahlträger mit offenem Querschnitt, die Setzpunkte und Lastpunkte lagen in einer Stegebene und es wurden zusätzliche Membranen verwendet. In einem anderen Artikel präsentierten die Autoren Obst et al.22 auch eine Stabilitätsstudie eines dünnwandigen Trägers mit offenem Querschnitt, der einer Vierpunktbiegung ausgesetzt war. Randbedingungen spielen eine Schlüsselrolle für die Stabilität dünnwandiger Strukturen. Untersuchte Balken unter Vierpunktbiegung wurden belastet und im Schwerpunkt des Balkenquerschnitts ausgerichtet.

In diesem Artikel präsentieren die Autoren Ergebnisse experimenteller Forschung an drei Typen von C-förmigen Stahlträgern mit offenem Querschnitt, die in der Schubmitte durch spezielle Griffe gestützt und belastet wurden. Die während der experimentellen Forschung verwendeten Griffe bestanden aus einem zylindrischen Stift, einem am Stift befestigten Ring und einer am Trägersteg verschraubten Halterung. Der Abstand zwischen der Mitte des Rings und dem Trägersteg bestimmte die Position des berechneten Scherzentrums für eine gegebene Querschnittsform. Auf den Abb. 1, 2, 3 sind Griffe sichtbar.

Stegsteife Stahlplatten und Scharniere ermöglichen die Ausrichtung und Belastung des Trägers im Scherzentrum.

Biegen.

Schematische Darstellung der Platzierung von Dehnungsmessstreifen (A1, A2, A3) und Wegsensoren (B).

Für die experimentelle Untersuchung wurden drei kaltgeformte Stahlträger mit unterschiedlichem C-förmigem Querschnitt verwendet, wie in Abb. 4 dargestellt. Während des Experiments wurde die Trägerprobe durch ein spezielles Stützsystem fixiert, bei dem eine Biegung an vier Punkten durchgeführt wurde. Zusätzlich wurden Einstell- und Kraftpunkte auf die Schermitte des getesteten dünnwandigen Trägers angewendet. Für Träger mit den folgenden Quer- und Längsabmessungen wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt (Tabelle 1).

Abmessungen des Balkenquerschnitts.

Das Belastungsschema des Trägers und seine Abmessungen sind in Abb. 5 dargestellt. Die Einstell- und Belastungspunkte der Probeträger waren eine spezielle Vorrichtung, die mit steifen Stahlplatten und Schrauben am Trägersteg befestigt wurde, wie in Abb. 1 dargestellt. Eine einfache Regulierung bot Möglichkeiten dazu Verriegelungsposition im Schubzentrum der Probeträger mit offenem Querschnitt. Es wurden experimentelle Untersuchungen für zwei Einstellsysteme durchgeführt: ohne und mit Membran, wie in Abb. 2 dargestellt.

Lastschema und Längsabmessungen des Balkens.

Experimentelle Tests wurden auf der Zugspannungsprüfmaschine Zwick Z100 vorbereitet und durchgeführt, die mit einem zusätzlichen steifen Balkensystem und einer Einstellung ausgestattet war, die es ermöglichte, eine Vierpunktbiegung von dünnwandigen Proben unter Randbedingungen des Scherzentrums zu realisieren. Jeder getestete Probeträger war mit Dehnungsmessstreifen ausgestattet, die an der Ecke und in der Mitte des Stegs (Abb. 3, 6) und in der Mitte des Trägerflansches angeschlossen waren.

Dehnungsmessstreifen, die mit dem Probensteg und -flansch verbunden sind.

Zusätzlich zur Probebahn wurden induktive Verschiebungssensoren installiert, die die Verschiebung an vier Punkten der Ecken der steifen Stahlplatten der Bahn maßen, wie in den Abbildungen gezeigt. 3 und 7.

An vier Stellen steifer Stahlplatten angebrachte Wegsensoren.

An den steifen Platten der Probenbahn angebrachte Verschiebungssensoren wurden verwendet, um die Drehung des Probenquerschnitts während des Lastanstiegs zu analysieren. Untersuchte Träger, die belastet und in der Schermitte angeordnet sind, sollten einem reinen Biegemoment ausgesetzt sein, was unter realen Versuchsbedingungen schwer zu realisieren ist.

Während des experimentellen Tests wurden drei Balken mit unterschiedlicher Querschnittsform untersucht. Die Verfahrgeschwindigkeit der Zugmaschine betrug \(5\ {\text{mm/min}}\) und die Anfangskraft betrug \(0,5\ {\text{kN}}\). Alle Proben wurden durch einen speziellen Griff in der Schermitte der Probe abgestützt und belastet. Der Abstand des Scherzentrums vom Steg wurde für einen gegebenen Querschnitt des dünnwandigen Trägers analytisch bestimmt. Die Position des Scherzentrums wurde mit einer Genauigkeit von \(0,1\ {\text{mm}}\ gemessen. Der Fehler in der physikalischen Positionierung des Scherzentrums besteht und resultiert aus der Genauigkeit der Messung des Abstands vom Steg sowie der Genauigkeit der Trägerherstellung, z. B. der Längsgeradheit des Trägers. Die getestete Probe wurde an vier Punkten gebogen, wie in Abb. 2a dargestellt. Statisch steigende Belastungen mit der Zugprüfmaschine Zwick Z100 vom Nullpunkt bis zum Knickpunkt bis zum Zusammenbruch der Balken. Es wurde beobachtet, dass das Knicken und die Zerstörung durch Biegen dort einsetzten, wo die unteren Flansche zu falten begannen, wie in Abb. 8 dargestellt. Während des Tests wurde eine Torsion der Träger beobachtet, die in Abb. 9 dargestellt ist.

C-Form ohne Verstärkung, doppelter Kastenflansch und ein Kastenbalken nach Stabilitätsverlust.

Verformung des Querschnittsträgers während des Experiments zur Vierpunktbiegung.

Die experimentelle Untersuchung untersuchte drei dünnwandige Träger mit unterschiedlichem Querschnitt, die einer reinen Biegung ausgesetzt waren. Bei statischen Tests mit Vierpunktbiegung, Schubschwerpunktbelastungen und -sätzen sollte eine reine Biegung realisiert werden. Leider war es nicht möglich, eine ideale reine Biegung zu erreichen. Bei monotonem Lastanstieg konnte eine leichte Torsionsverzerrung der Träger beobachtet werden. Die stahlmechanischen Eigenschaften der Balkenproben wurden während Zugversuchen an flachen Proben bestimmt, die aus dem Material der Balken geschnitten wurden. Die gemessenen Eigenschaften waren: Young-Modul \(E = 185\ {\text{GPa}}\), Poissonzahl \(\nu = 0,3\), Fließgrenze \(R_{eH} = 330\ {\text{MPa }}\), Zugfestigkeit \(R_m = 380\ {\text{MPa}}\). Auf Basis experimenteller Untersuchungen sollten folgende Ergebnisse erarbeitet werden (Abb. 10).

In Abb. 11a ist der Zusammenhang zwischen der Verschiebung der Messpunkte zu erkennen. Die präsentierten Ergebnisse können als Drehung des Strahlquerschnitts um die Längsachse x interpretiert werden. Der Träger mit C-förmigem Querschnitt dreht sich unter aufgebrachter Last auch bei kleinen Lasten. Ursache hierfür sind technische und materielle Mängel. Aufgesetzte Griffe bilden die Basis der dargestellten Situation. Auch experimentelle Methoden können die Ursache des beschriebenen Problems sein. Basierend auf experimentellen Eigenschaften kann Abb. 10 die kritische Kraft für lokales bzw. globales Knicken ermitteln: \(F_{Lcr}=0,6\ {\text{kN}}\), \(F_{Gcr}=2,6\ {\text {kN}}\). Lokale und globale Knickung in den Diagrammen wird als Beginn der charakteristischen Nichtlinearität interpretiert (Abb. 11b).

C-Form, kein verstärktes Element.

Bahnverschiebungspunkte. UG – Verschiebung des oberen Stegpunktes auf der festen steifen Stahlplatte, UD – Verschiebung des unteren Stegpunktes auf der festen steifen Stahlplatte, UGS – Verschiebung des oberen Stegpunktes auf der beweglichen steifen Stahlplatte, UDS – Verschiebung der unterer Stegpunkt auf der beweglichen steifen Stahlplatte.

Stegverschiebungspunkte für Doppelkastenflansche und Verstärkungsteile zeigen ebenfalls eine relative Drehung des Querschnitts, aber jetzt erfolgt die Drehung für alle Messpunkte in die gleiche Richtung (Abb. 12). Selbst wenn Setzpunkte und Lastpunkte im Scherzentrum angelegt werden, ist es nicht möglich, die Rotation vollständig zu reduzieren. Randbedingungen und angewandte Spezialgriffe haben Einfluss auf die beobachteten Phänomene der Querschnittsrotation. Die gefundenen kritischen Kräfte für lokales und globales Knicken von Doppelkastenflanschen bzw. Bewehrungselementen sind gleich: \(F_{Lcr}=13\ {\text{kN}}\), \(F_{Gcr}=16\ {\text {kN}}\).

Doppelte Kastenflansche und Verstärkungselement.

Die in Abb. 13 dargestellten Versuchsergebnisse für Einzelkastenflansche ohne Verstärkungsteile weisen niedrigere kritische Kräfte auf als Doppelkastenflansche und Verstärkungsteile. In diesem Fall sind die kritischen Kräfte für lokales und globales Knicken jeweils: \(F_{Lcr}=8\ {\text{kN}}\) und \(F_{Gcr}=9\ {\text{kN}}\ ). Die Verschiebungsergebnisse in Abb. 11c zeigen, dass die Drehung des Querschnitts registriert wird. Bei allen getesteten Trägern kann beobachtet werden, dass folgende Modi des Knickprozesses auftreten: lokales Knicken durch Biegemomente, verzerrende Knickphase durch Biegemomentbelastungen und globales Knicken.

Einkastenflansche ohne Verstärkungselement.

Für Träger mit einem Querschnitt, der als doppelte Kastenflansche und Bewehrung und ein Kastenflansch ohne Bewehrung definiert ist, wurden die gleichen Tests durchgeführt, wobei der Satz und die Lasten im Schermittelpunkt der Träger lagen, aber zusätzlich eine Membran angebracht wurde, wie in Abb. 5b.

Die Versuchsergebnisse für einen Test, bei dem Membranen in den Griffen eingesetzt wurden, sind in Abb. 14 dargestellt. Die Membranen bestanden lediglich aus Sperrholzverstärkungsplatten, die an die Querschnittsform des Balkens angepasst waren. Tests mit Membranen wurden für zwei Elemente durchgeführt: Doppelkastenflansche mit Verstärkungsbalken, wie in Abb. 4b dargestellt, und ein Kastenflansche ohne Verstärkungsbalken, wie in Abb. 4c dargestellt.

Geprüfte Elemente mit Sperrholzmembranen.

Die Anwendung von Membranen wie oben beschrieben führte zu kritischen Kräften für eine lokale bzw. globale Knickung: \(F_{Lcr}=15\ {\text{kN}}\), \(F_{Gcr}=19\ {\text {kN}}\) für Doppelkastenflansche und Verstärkungsteile mit Membranen (Abb. 15). Die in der Auf- und Abwärtsrichtung des Griffs gemessene Verschiebung (Abb. 16) zeigt eine leichte Drehung des Strahls während des Tests, die Art der Drehung unterscheidet sich jedoch von der des gleichen Strahls ohne Membranen.

Einkastenflansche ohne Verstärkungselement mit eingesetzten Membranen führten zu kritischen Kräften für lokales bzw. globales Knicken: \(F_{Lcr}=4\ {\text{kN}}\), \(F_{Gcr}=11\ {\ text{kN}}\) (Abb. 17). In Abb. 17a ist der Diagrammpeak genau in der Nähe von \(F_{peak}=4\ {\text{kN}}\) zu sehen. Die Ursache liegt wahrscheinlich am Verrutschen des Griffs, des Einstellsystems oder der Kabelbinder. Oberhalb von \(F_{peak}=4\ {\text{kN}}\ steigt die Kurve auf \(F=16\ {\text{kN}}\) an und diese Kraft kann als globale maximale Knickkraft akzeptiert werden.

Doppelte Kastenflansche und Verstärkungsteile mit Membranen.

Bahnverschiebungspunkte. UG – Verschiebung des oberen Stegpunktes auf der festen steifen Stahlplatte, UD – Verschiebung des unteren Stegpunktes auf der festen steifen Stahlplatte, UGS – Verschiebung des oberen Stegpunktes auf der beweglichen steifen Stahlplatte, UDS – Verschiebung der unterer Stegpunkt auf der beweglichen steifen Stahlplatte.

Einkastenflansche ohne Verstärkungsteile mit Membranen.

Wie in Abb. 18 gezeigt, zeigt ein Vergleich der Tragfähigkeit der untersuchten Träger bei Verwendung von Membranen, dass die Träger einem Knicken mehr Widerstand entgegensetzen. Natürlich werden Membranen in der Praxis als steifigkeitserhöhende Elemente dünnwandiger Strukturen eingesetzt, aber im vorgestellten Forschungsfall wurde versucht, während des experimentellen Tests eine reine Biegung zu erreichen. Es war nicht möglich, die Drehungen des Trägerquerschnitts perfekt zu reduzieren, was auf die Unvollkommenheit der Randbedingungen und des Herstellungsprozesses der Träger zurückzuführen war. Es ergibt sich auch eine zusätzliche praktische Schlussfolgerung. Die Genauigkeit der Träger sowie die Montage- und Betriebsbedingungen sind für den Betrieb dünnwandiger Systeme von entscheidender Bedeutung.

Verschiebungskurve: alle Balken.

Eine experimentelle Untersuchung von kaltgeformten dünnwandigen Trägern mit unterschiedlichen Querschnittsformen, die einer statischen Vierpunktbiegung unterworfen wurden, mit Krafteinwirkung und Abstützung im Scherzentrum jedes Trägers, ließ die folgenden Schlussfolgerungen zu:

Dünnwandige Träger mit komplexen Flanschen weisen höhere kritische Kräfte auf als dünnwandige Träger mit flachen Flanschen.

Der lokale Stabilitätsverlust dünnwandiger Träger war bei der Betrachtung von Flanschen und Stegen deutlich sichtbar. Es sind charakteristische Halbwellen aufgetreten.

Messungen der Bahnverschiebungen (relative Verschiebungen, die auf der Grundlage der Messwerte der Verschiebungssensoren geschätzt wurden) zeigten, dass sich jeder Balken trotz der Unterstützung der Balken und der Belastung im Zentrum der Querkräfte um die Längsachse drehte, die durch das Zentrum der Querkräfte verläuft der geprüfte Balkenquerschnitt,

Der Grund für das Auftreten eines Torsionsmoments mit einem Vektor, der entlang der durch den Mittelpunkt der Querkräfte verlaufenden Achse gerichtet ist, wenn die Balken im Mittelpunkt der Querkräfte und die Last im Mittelpunkt der Querkräfte abgestützt wurden, war die Ungenauigkeit von die Herstellung der geprüften Balken. Die Torsionssteifigkeit der offenen dünnwandigen Abschnitte ist sehr gering, was zusammen mit den unvermeidbaren Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Träger trotz der theoretischen Wirkung der reinen Biegung zwischen den Mittelkonsolen bei Vierpunktbiegung zu einem Torsionsmoment führt.

Eine zusätzliche Schwierigkeit, die während der experimentellen Tests beobachtet wurde, war die Schwerkraft, die trotz Ausgleichsversuchen die erzielten Ergebnisse und die Wirkung des Torsionsmoments in Bezug auf die Achse beeinflusste, die durch die Stütz- und Lastpunkte verläuft.

Die Prüfung von gescherten dünnwandigen Abschnitten muss mit Hilfe von Versteifungsmembranen durchgeführt werden, was besonders wichtig ist, wenn dynamische Prüfungen an offenen dünnwandigen Trägern durchgeführt werden. Das Fehlen von Membranen führt zu einem lokalen Versagen der Träger und zur Ausbreitung des Versagens aufgrund lokaler plastischer Verformung.

Dünnwandige offene Stahlprofile werden häufig beim Bau von Straßeninfrastrukturen verwendet, beispielsweise als energieabsorbierende Platten für Straßensperren. Die richtige Formgebung des Querschnitts, die Wahl des Materials und der Auflagepunkt sind die entscheidenden Richtlinien, um eine hohe Energieaufnahme beim Hochfahren des Fahrzeugs zu erreichen.

Für energieabsorbierende Strukturen sind Tests an realen Objekten unerlässlich. Dünnwandige Konstruktionen, wie z. B. offene Träger, zeichnen sich durch eine hohe Torsionsnachgiebigkeit aus, die deutlich von der Genauigkeit der dünnwandigen Konstruktion einschließlich des Montagesystems beeinflusst wird.

Die Autoren der Studie richten ihre weitere Arbeit auf Fragen im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch von Materialien und Strukturen. Es wurde ein dynamischer Prüfstand entwickelt und die erzielten Ergebnisse werden im Folgenden vorgestellt.

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Referenzen herunterladen

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Maciej Obst und Piotr Wasilewicz.

Abteilung für Festigkeit von Materialien und Strukturen, Technische Universität Posen, Posen, Polen

Maciej Obst & Piotr Wasilewicz

Institut für Maschinendesign, Technische Universität Posen, Posen, Polen

Jaroslaw Adamiec

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MO und PW konzipierten das/die Experiment(e), MO und PW führten das/die Experiment(e) durch, MO und JA analysierten die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondent ist Jarosław Adamiec.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Obst, M., Wasilewicz, P. & Adamiec, J. Experimentelle Untersuchung der Vierpunktbiegung eines dünnwandigen Stahlträgers mit offenem Querschnitt, der im Scherzentrum belastet und eingestellt wird. Sci Rep 12, 7275 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-10035-z

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Eingegangen: 3. November 2021

Angenommen: 30. März 2022

Veröffentlicht: 04. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-10035-z

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