Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung von Kabeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels; Professor Dr.-Ing. Alexander Düster
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405490285

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel dieses Projekts war es, die mechanischen Eigenschaften von Kabeln zu charakterisieren und auf der Basis anisotroper effektiver Materialgesetze mit finiten Elementen zu simulieren. Die Untersuchung konzentrierte sich auf die Material- und Geometrieeffekte, die aus der komplexen Zusammensetzung der Materialschichten der Kabel resultieren, sowie auf deren Verhalten unter verschiedenen Belastungsfällen wie Zug, Torsion, Biegung und deren Kombination. Das Projekt wurde in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase wurde der Kabelquerschnitt als homogenes, anisotropes Material betrachtet. Ziele waren die Erforschung des anisotropen elastoplastischen Verhaltens, die Trennung der Material- und Geometrieeffekte, der Aufbau eines Versuchsstandes, die FE-Modellierung, die Implementierung eines elastoplastischen Materialmodells sowie die Entwicklung einer spezifischen Kontaktformulierung. Zudem wurden Modellparameter identifiziert und verifiziert. In der zweiten Phase lag der Fokus auf der Untersuchung der einzelnen Kabelkomponenten durch einen schichtweisen Ansatz. Dies ermöglichte eine bessere Modellierung der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Kabelschichten. Zu den Zielen gehörten die Anpassung des Prüfstands, die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Kabelkomponenten, die Entwicklung einer Vorbelastungsmethode zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit, die Untersuchung von Reibungseffekten und die Erweiterung der Kontaktformulierung. Ein multiaxialer Versuchsstand wurde aufgebaut, um die Kabel unter verschiedenen Deformationen zu testen. Ein anisotropes elasto-plastisches Materialmodell mit finiten Elementen höherer Ordnung wurde implementiert und die Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Die Ergebnisse bestätigen die Anisotropie der Kabel und ihr komplexes Verhalten unter verschiedenen Lastbedingungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nonlinear computation of cables with high order solid elements using an anisotropic material model. PAMM, 20(1).
  Hildebrandt, André; Sharma, Prateek; Diebels, Stefan & Düster, Alexander
  
• Experimental and numerical investigation of the deformation behaviour of cables and thin beam-like structures under multi-axial loading. Mathematics and Mechanics of Solids, 27(10), 2314-2337.
  Hildebrandt, André; Sharma, Prateek; Düster, Alexander & Diebels, Stefan
  
• Non-negative moment fitting quadrature for cut finite elements and cells undergoing large deformations. Computational Mechanics, 70(5), 1059-1081.
  Garhuom, Wadhah & Düster, Alexander
  
• Numerical Investigation of High-Order Solid Finite Elements for Anisotropic Finite Strain Problems. International Journal of Computational Methods, 19(05).
  Hildebrandt, André & Düster, Alexander
  
• Efficient simulation of cables with anisotropic high‐order solid finite elements. PAMM, 22(1).
  Hildebrandt, André; Sharma, Prateek; Diebels, Stefan & Düster, Alexander
  
• Mechanical Characterisation of Cables in Different Loading Directions. PAMM, 22(1).
  Sharma, Prateek; Hildebrandt, André; Düster, Alexander & Diebels, Stefan
  
• Nonlinear cable computations using high‐order solid elements with hp‐adaptive refinement for anisotropic plasticity. PAMM, 23(4).
  Hildebrandt‐Raj, André; Sharma, Prateek; Diebels, Stefan & Düster, Alexander