Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8295
Main Title: Numerical simulation and parametric investigation of the mechanical properties of fabric nap core sandwich
Translated Title: Numerische Simulation und parametrische Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Noppen-Kern-Sandwich-Stoff
Author(s): Ha, Giap Xuan
Advisor(s): Zehn, Manfred W.
Referee(s): Zehn, Manfred W.
Hühne, Christian
Bauer, Monika
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This research deals with the finite element (FE) simulation and the validation of FE models for a new type of sandwich-structured composite, the so-called nap-core sandwich. The nap-core is made of a two-dimensional knitted fabric impregnated with a thermosetting resin, which underwent deep drawing and curing processes to adopt a permanent three-dimensional shape. The nap-core can be considered a combination of identical naps arranged crosswise periodically. The nap-core and two laminate sheets attached to its upper face and lower face build up the sandwich structure. This lightweight nap-core sandwich has a versatile selection of component materials and geometries, possessing a relatively high ratio of strength to density while being durable and flexible; thus, it is ideal for fabricating the interior of aerospace, aircraft and automotive structures. It can be manufactured single or double curved and the core is passable for gas, fluid, and supply lines. However, due to the complexity of its geometries and components (i.e. non-periodic boundaries, anisotropic materials, and pre-stress from deep drawing and curing processes), the FE modeling of the nap-core sandwich is so far a challenging task. Furthermore, through the experiments done on the samples, the sandwich shows stability problems because of the inhomogeneity of its nap-core. The aims of the work are to search for the most appropriate modeling methods and study the influence of parametric changes on the engineering performance of the nap-core sandwich. Several modeling approaches are going to be suggested. At first, the sandwich’s nap-core is modelled at macro-scale level in which it performs as a thin shell and the input material parameters have been determined through laboratory tests. Alternatively, a mesoscopic-scale simulation of the nap-core is conducted whereby a cost-effective homogenization is given to the nap-core’s fibrous representative volume element. In the third approach, the thesis suggests another homogenization scheme applied to the whole nap-core to save a considerable amount of time and memory storage. A large number of experiments and exemplifying simulations are implemented on nap-core sandwich samples and models. A comparison between the experimental results and the simulation results has demonstrated the properness of the simulation methods with adequate errors. Based on the proposed simulation ways, parametric investigations are conducted on the nap-core sandwich composite. That is to find how the composite’s mechanical behavior and performance are sensitive to the change of each of its nap-core’s geometrical factors, i.e., the thickness, the height and the naps distance. The resulting mechanical behavior is shown to be compatible with theories, so the results of the parametric investigations are usable to be a ground for the performance improvement or the design optimization of the nap-core sandwich composite. Finally, the outlook and the future research on the nap-core sandwich composite material are discussed.
Diese Forschung befasst sich mit der Finite-Elemente-Simulation (FE) und der Validierung von FE-Modellen für einen neuen Typ von Sandwichstruktur-Verbundwerkstoff, dem sogenannten Nap-Core-Sandwich. Der Noppen-Kern besteht aus einem zweidimensionalen Gestrick, das mit einem duroplastischen Harz imprägniert ist, das Tiefzieh- und Härtungsverfahren unterzogen wurde, um eine permanente dreidimensionale Form anzunehmen. Der Noppenkern kann als Kombination von identischen Noppen angesehen werden, die periodisch kreuzweise angeordnet sind. Der Noppenkern und zwei Laminatlagen, die an seiner oberen und unteren Fläche befestigt sind, bilden die Sandwichstruktur. Dieses leichte Sandwich mit Noppen-Kern bietet eine vielseitige Auswahl an Komponentenmaterialien und -geometrien und besitzt ein relativ hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte, ist jedoch langlebig und flexibel. Daher ist es ideal für die Herstellung von Innenräumen in Luftfahrt-, Flugzeug- und Automobilstrukturen. Es kann einfach oder doppelt gekrümmt hergestellt werden und der Kern ist für Gas-, Fluid- und Versorgungsleitungen geeignet. Aufgrund der Komplexität ihrer Geometrien und Komponenten (d. H. Nichtperiodische Grenzen, anisotrope Materialien und Vorspannung durch Tiefzieh- und Härtungsprozesse) ist die FE-Modellierung des Noppen-Kern Sandwichs bislang eine herausfordernde Aufgabe. Darüber hinaus zeigt sich, dass das Sandwich durch die an den Proben durchgeführten Experimente Stabilitätsprobleme aufgrund der Inhomogenität seines Noppen-Kerns aufweist. Ziel der Arbeit ist es, nach den am besten geeigneten Modellierungsmethoden zu suchen und den Einfluss parametrischer Änderungen auf die Engineering-Leistung des Nap-Core-Sandwichs zu untersuchen. Es werden mehrere Modellierungsansätze vorgeschlagen. Zunächst wird der Noppen-Kern des Sandwichs auf Makroebene modelliert, wobei er als dünne Shale fungiert und die Eingangsmaterialparameter durch Labortests bestimmt wurden. Alternativ wird eine Simulation im mesoskopischen Maßstab des Noppen-Kerns durchgeführt, wobei das repräsentative Volumenelement sich Fasern des Noppen-Kerns kostengünstig homogenisiert wird. Im dritten Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit ein anderes Homogenisierungsschema vorgeschlagen, das auf den gesamten Noppen-Kern angewendet wird, um Zeit und Speicherplatz zu sparen. Eine Vielzahl von Experimenten und beispielhaften Simulationen werden an Sandwich-Proben und -Modellen mit Noppen-Kern durchgeführt. Ein Vergleich zwischen den experimentellen Ergebnissen und dem Simulationsergebnis zeigte, dass die Simulationsmethoden angemessene Fehler bieten. Basierend auf den vorgeschlagenen Simulationswegen werden parametrische Untersuchungen an dem Kern-Sandwich-Verbundwerkstoff durchgeführt. Dabei wird ermittelt, wie das mechanische Verhalten und die Leistung des Verbundwerkstoffs auf die Änderung der geometrischen Faktoren des Kerns reagieren, d. H. die Dicke, die Höhe und der Abstand der Noppen-Kern. Es zeigt sich, dass das resultierende mechanische Verhalten mit der Theorie vereinbar ist, sodass die Ergebnisse der parametrischen Untersuchungen als Grundlage für die Leistungsverbesserung oder die Designoptimierung des Sandwich-Verbundwerkstoffs dienen können. Abschließend werden der Ausblick und die zukünftige Forschung zum Sandwichkern-Verbundwerkstoff diskutiert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9212
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8295
Exam Date: 10-Jan-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 29-Apr-2019
DDC Class: 600 Technik, Technologie
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): composite material
woven fabric
knitted fabric
nap core
sandwich structure
homogenization method
Verbundmaterial
gewebter Stoff
gestrickter Stoff
Noppen-Kern
Sandwich-Struktur
Homogenisierungsmethode
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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