Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse von Kreiszylinderschalen unter Axialdruck basierend auf dem Zufallsfeld für geometrische Imperfektionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden axiale Druckversuche an Stahlzylinderschalen unterschiedlicher Größen und Werkstoffe durchgeführt. Die Prüfeinrichtungen und Messsysteme zur Untersuchung der geometrischen Imperfektionen, der Beullast und des Beulverhaltens wurden entwickelt und implementiert. Ein 3D-Laserscanner wurde verwendet, um die geometrischen Imperfektionen der zylindrischen Probekörper zu messen. Die Scandaten wurden einer Fourier-Analyse unterzogen, um die Koeffizientenmatrix zu extrahieren und die Unsicherheit zu simulieren. Darüber hinaus war der deterministische Teil der Koeffizientenmatrix für die verschiedenen gemessenen Probentypen mit ähnlichen r/t-Werten nahezu identisch. Die Tragfähigkeit unter axialer Spannung von Zylinderschalen wurden mit numerischen Methoden im kommerziellen FE-Programm Abaqus® untersucht. Die in den 3D-Scans identifizierten oder zufällig generierten geometrischen Imperfektionen wurden mittels eines abstandsgewichteten Interpolationsalgorithmus automatisch in das numerische Modell integriert. Um die Genauigkeit der Simulationen zu erhöhen und den Einsatz ressourcenintensiver dynamischer Verfahren zu vermeiden, wurde die Beullast mit der N-R-Methode mit begleitender Eigenwertanalyse ermittelt. Die experimentellen und numerischen Ergebnisse zeigen, dass die numerische Simulation basierend auf der nicht-invasiven SFEM in Kombination mit der Fourier-Repräsentation unter Verwendung des Halbwellen-Cosinus-Ansatzes die axiale Tragfähigkeit und deren statistische Verteilung für zylindrische Schalen effizient analysieren kann. Durch statistische Analyse und in Verbindung mit der Maximum-Entropie-Methode wurden die statistischen Eigenschaften der Beullastverteilung für zwei verschiedene Typen von Zylinderschalen ermittelt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Verteilungen stärker zu rechtsschiefen statistischen Verteilungsfunktionen wie der Weibull-Verteilung oder der Extremwert-verteilung tendieren. Zusätzlich wurden exemplarische Zuverlässigkeitsanalysen durchgeführt. Die Genauigkeitsanalyse der axialen Tragfähigkeit und statistischen Verteilung kann sicherere und wirtschaftlichere Bemessungsund Nachweismethoden für Schalentragwerke liefern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Buckling Analysis of Cylindrical Shells using Stochastic Finite Element Method with Random Geometric Imperfections, in: The International Colloquium on Stability and Ductility od Steel Structures, 14.-16. Sep. 2022, University of Aveiro, Portugal.
Z. Li, H. Pasternak & K. Geißler
-
Experiment‐based statistical distribution of buckling loads of cylindrical shells. ce/papers, 6(3-4), 1816-1820.
Li, Zheng; Pasternak, Hartmut & Geißler, Karsten
-
Von der Punktwolke zum numerischen Modell – Laserscanning von Stahlbauteilen/From the point cloud to the numerical model – Laser scanning of steel structural components. Bauingenieur, 98(12), 410-420.
Li, Zheng; Zhang, Qiulei; Erlemann, Raphael; Geißler, Karsten & Pasternak, Hartmut
