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Episode 091 - Jesse Stommel
No full textJesse Stommel is an author, speaker, and teacher with a focus on education, critical digital pedagogy, and documentary film. He’s the co-founder of the Digital Pedagogy Lab, a fantastic professional development workshop for those interested in critical digital pedagogy. He’s the co-founder of Hybrid Pedagogy, the journal of critical digital pedagogy. And he’s the co-author of An Urgency of Teachers: The Work of Critical Digital Pedagogy.
Jesse is an incredible thoughtful and powerful voice in higher education. His work and writings have influenced so many educators, and we are thrilled to have him on the podcast
Experimental and numeric analysis of uni-axially and multi-axially loaded elastomer bushings with special consideration of the influence of different load sequences
No full textAufgrund ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften werden Elastomerbauteile in vielen technischen Anwendungen zur Lösung schwingungstechnischer Aufgabenstellungen eingesetzt. Gummi-Metall-Verbund-Bauteile werden nicht nur als dämpfende Aggregatelager für Maschinenteile verwendet, sie dienen auch als Verbindungselemente in Kupplungen. Die auf sie einwirkenden dynamischen Belastungen beeinflussen die Dauer ihres Einsatzes bis zu ihrem Ausfall maßgeblich.
Die vorliegende Arbeit liefert neue Erkenntnisse zur Beschreibung des Bauteilzustandes dynamisch belasteter Elastomerbuchsen durch Bewertung von mithilfe des Hysterese-Messverfahrens ermittelten Kennwertverläufen und zum Einfluss unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen auf den Schädigungsverlauf.
Im Rahmen der vorgestellten experimentellen Untersuchungen werden zylindrische Elastomerbuchsen in unterschiedlichen Versuchsführungen harmonisch wechselnd axial, radial und auf Torsion belastet. Die Auswertung der einstufigen und mehrstufigen Einachsversuche erfolgt durch Bewertung der Verläufe der eigenschaftsbeschreibenden Kennwerte dynamische Steifigkeit Cdyn_n und Dämpfungsarbeit AD_n. Diese werden durch die Anwendung des Hysterese-Messver¬fahrens aus den jeweils gemessenen Belastungen und Verformungen berechnet. Aus den vorliegenden Versuchsergebnissen wird abgeleitet, dass der Bauteilzustand anhand der Dämpfungsarbeit deutlich präziser beschrieben werden kann als anhand der dynamischen Steifigkeit. Nach der Definition des Ausfallkriteriums Änderung des Wertes der normierten Dämpfungsarbeit um 20 % werden die Gebrauchsdauern sämtlicher Versuche auf dieser Basis ermittelt und diskutiert. Im Rahmen der zweiachsigen Bauteilprüfung werden Elastomerbuchsen sowohl mit überlagerter Radial- und Torsionsbelastung als auch mit überlagerter Radial- und Axialbelastung phasengleich beaufschlagt. Durch die überlagerten Belastungen werden gegenüber den Einachsversuchen mit gleichen Belastungsstufen deutlich reduzierte Gebrauchsdauern festgestellt.
Der Einfluss unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen auf den Schädigungsverlauf wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals an belastungsgeführten Axialversuchen untersucht und nachgewiesen. Dazu werden unterschiedliche Versuchsvarianten definiert, die sich durch die Reihenfolge der aufgebrachten Belastungsstufen, durch Sonderereignisse mit mehrfach überhöhten Belastungsamplituden und durch wiederkehrende Belastungspausen unterscheiden.
Für alle zuvor experimentell untersuchten Belastungsfälle werden die in den belasteten Elastomerbuchsen auftretenden Deformationen und Beanspruchungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode berechnet. Die Vergleiche mit Schadensbildern von zuvor experimentell belasteten Buchsen zeigen für alle Belastungsfälle, dass die innerhalb der Elastomerspuren mithilfe der FEM lokalisierten Bereiche höchster Spannungen und Dehnungen den Bereichen entsprechen, von welchen im Experiment eine erkennbare Rissbildung ausgeht. Die Berechnungsergebnisse werden durch die Vergleiche mit den experimentell ermittelten Verschiebungen und Schadensbildern qualitativ bestätigt und abgesichert.
Die in dieser Arbeit durch experimentelle Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der vielfältigen Kennwertverläufe sowie der ebenfalls durch Versuche belegte Einfluss der Belastungsreihenfolge auf den Schadensverlauf verlangen nach einer nicht linearen Schadensakkumulationrechnung. Es wird untersucht, welche der mithilfe der FEM berechneten Beanspruchungsgrößen in diesem Rahmen einzusetzen ist.Due to their special mechanical properties, elastomeric parts are used in many technical applications to solve vibration control problems. Furthermore, rubber-metal component parts are used not only as damping mounts for machine parts, they also serve as transmission elements in couplings. The dynamic loads acting on them affect the life cycle period until their failure significantly.
The present work provides new insights into the description of the condition of dynamically loaded elastomer bushings by using the evaluation of characteristic values found on the basis of the hysteresis measuring method. The study also shows the influence of different load sequences on the damage process.
In different tests, harmonically alternating radial, axial and torsional loads are applied on cylindrical elastomer bushings. These one-stage and multi-stage uniaxial tests are evaluated by describing the development of the characteristic values dynamic stiffness Cdyn_n and damping work AD_n. These are obtained by using the hysteresis measuring method on the measured loads and deformations. The presented experimental results lead to the conclusion that the component state can be described much more precisely on the basis of the damping work than on the basis of the dynamic stiffness. After definition of the failure criterion ‘change in the value of the standardized damping work by 20 %’, the life cycle periods of all the tests are calculated and discussed on this basis. Using experimental setups specially developed for biaxial tests, elastomer bushings are subjected to different loads both with superimposed radial and torsional load and with superimposed radial and axial load. The simultaneous loads are in both cases in phase. As a result of the superimposed loads, significantly reduced life cycle periods are observed compared to the uniaxial tests with the same load levels.
The influence of different load sequences on the damage process and thus on the characteristic curves is examined and proven in this study for the first time on load controlled axial component tests. For this purpose, different test sequences are defined. They differ in the order of the applied load levels, regularly occurring load peaks and hourly recurring load breaks.
For all examined loading cases, the deformations and strains occurring in the loaded elastomer bushings are calculated using the finite element method. Comparisons with damage patterns of experimentally loaded bushings show for all loading cases that the areas of maximum stress and strain localized within the elastomer using FEM correspond to the areas from which a recognizable cracking starts during the experiment. The calculation results are qualitatively confirmed by the comparison with the experimentally detected displacements and damage patterns.
The conclusions found in this study concerning the varied characteristic curves and the influence of the load sequences on the damage process demand a non-linear cumulative damage calculation. It is discussed which of the FEM-calculated values should be used in this context
Influence of fillers on the quasi-static mechanical properties of elastomers
No full textDie vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Beschreibung des Füllstoffeinflusses auf das quasi-statische, mechanische Verhalten von Elastomeren insbesondere unter hydrostatischem Druck. Vulkanisate aus Naturkautschuk und Styrol-Butadien-Kautschuk mit und ohne aktive sowie inaktive Füllstoffe werden untersucht. Der entscheidende Materialparameter zu einer Beurteilung dieses Füllstoffeinflusses ist der Kompressionsmodul, der sowohl vom Füllstoffgehalt als auch von der Beanspruchung anhängt. Außerdem wird ein gegenseitiger Einfluss der Belastungen beobachtet. Die Kompressibilität nimmt nach uniaxialer Beanspruchung um ca. 10 % ab, was durch das freie Volumen verursacht wird. Ebenso nimmt die volumetrische Dehnung unter Zugbelastung nach Kompression zu. Bei hydrostatischen Beanspruchungen ergeben sich Modulwerte größer 2 GPa, die mit zunehmendem Anteil an verstärkenden Füllstoffen größer werden. Der über die Querdehnung bestimmte Kompressionsmodul bei Zugbelastung nimmt um zwei Größenordnungen kleinere Werte als bei hydrostatischer Beanspruchung an. Um eine hohe Abbildungsgüte durch Finite Elemente Simulationen zu gewährleisten, sind beide Fälle bei der Materialmodellierung zu berücksichtigen. Es wird daher ein deformationsabhängiger Kompressionsmodul für den Übergang von oder zu hydrostatischer Belastung definiert. Durch einen Vergleich von Simulationen mit realen Bauteilversuchen wird gezeigt, dass eine hohe Simulationsgüte für verschiedene Belastungsfälle erreicht wird.The present work contributes to the characterisation of the filler influence on the quasi-static mechanical behaviour of elastomers in particular under hydrostatic pressure. Natural rubber and synthetic styrol butadiene rubber vulcanisates with and without waxes and at different content of carbon black are investigated. The most crucial material parameter to evaluate this influence is the material’s bulk modulus, which is shown to depend on both filler content and type of load. Furthermore, a mutual influence of these loading conditions is observed. The compressibility of NR compounds under hydrostatic load after the application of uniaxial tension reduces by 10 %, mainly caused by the influence of free volume. The volumetric strain under uniaxial tension of previously compressed NR also increases. A hydrostatic load state leads to a modulus larger than 2 GPa, increasing with the filler content. In any other case, where the rubber is not exposed to hydrostatic loads, the bulk modulus resulting from the lateral strain reduces about two orders of magnitude. To achieve a good result quality in finite element simulation both cases have to be taken into account. Therefore, a deformation dependent bulk modulus is defined in order to provide a smooth transition from and to hydrostatic stress. A comparison of simulation and experimental results of real components proves the high result quality for different load cases
Contribution to the micromechanical simulation of short fiber reinforced plastics - deformation and failure
No full textDie Finite-Elemente-Methode (FEM) hat sich in den letzten Jahren als Werkzeug für die Auslegung von Konstruktionsbauteilen, ebenso wie kurzfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe als Konstruktionswerkstoff, fest etabliert. Im Gegensatz zum weitverbreiteten Einsatz der FEM als Werkzeug, sowie der kurzfaserverstärkten Kunststoffe als Werkstoff, sind Methoden zur effizienten Berechnung der Deformation und des Versagens dieser Verbundwerkstoffe mittels FEM nicht ausreichend entwickelt.
Im Rahmen der Arbeit wird dieser Gegensatz aufgegriffen. Es wird zunächst die prozessbedingt sich einstellende Mikrostruktur analysiert und Methoden zur analytischen Beschreibung vorgestellt. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung von zwei Ansätzen zur elastisch-plastischen Modellierung kurzfaserverstärkter Kunststoffe unter expliziter Berücksichtigung der vorliegenden Mikrostruktur. Neben der Berechnung des Deformationsverhaltens steht auch das Versagensverhalten im Fokus der Arbeit. Hierzu werden, aufbauend auf die Modellierungsansätze, zwei unterschiedliche Dimensionierungsstrategien entwickelt und exemplarisch angewendet.
Die Arbeit steht im Gesamtkontext einer effizienten und verlässlichen, computergestützten Berechnung von kurzfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffen. Vor diesem Hintergrund wird der Aufwand zur Kalibrierung und Umsetzung der ausgewählten Modelle und Strategien in einem entsprechenden Bewertungsschema abschließend analysiert und ausgewertet.In recent years the Finite-Element-Method (FEM) has been established as a common tool for the dimensioning of structural parts. Also, short fiber reinforced thermoplastics have been established as structural materials. However, the development of methods for the efficient computation of the deformation and failure behavior of these composite materials is insufficient and in conflict to the common use of short fiber reinforced thermoplastics as a structural material and of FEM as an engineering tool.
In the presented contribution this contrast is in focus of the considerations. The process related microstructure is analyzed and existing methods for the analytical description are presented. Based on this, two approaches for the elastic-plastic modeling of short fiber reinforced thermoplastics are developed by explicitly taking into account the existing microstructure. Besides the computation of deformation behavior, the computation of failure is of special interest. Therefore, two different dimensioning strategies are presented and are exemplarily applied to structural parts.
The contribution is seen in the context of developing an efficient and reliable, computational method for the simulation of short fiber reinforced thermoplastics. Against this background the developed models and strategies are evaluated by taking into account the effort for calibration and application and the results are summarized in an evaluation scheme
Charakterisierung und Modellierung viskoelastischer Eigenschaften von kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten mit Faser-Matrix Interphase
No full textDer Einfluss mikroskopischer Eigenschaften der Faser-Matrix Interphase auf die makroskopische Verbundsteifigkeit ist für kurzfaserverstärkte Thermoplaste nicht hinreichend bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Untersuchung der geometrischen sowie der mechanischen Eigenschaften der Interphase hinsichtlich der Beschreibung linear-viskoelastischer Effekte eines Verbundwerkstoffs durchgeführt. Die erarbeiteten Ergebnisse werden mit einem Fokus auf die Interaktion zwischen mikromechanischer Materialmodellierung und experimenteller Charakterisierung vorgestellt. Einerseits wird zur Beschreibung eines Verbundwerkstoffs mit Interphase ein zweistufiger Modellierungsansatz unter Berücksichtigung anisotroper sowie linear-viskoelastischer Effekte entwickelt. Andererseits werden die Materialparameter des Materialmodells mit experimentellen Methoden zur mikro- sowie makroskopischen Charakterisierung des Verbundwerkstoffs und dem Matrixmaterial identifiziert. Im Vergleich dieser experimentellen Ergebnisse mit den errechneten Verbundwerkstoffeigenschaften kann ein Rückschluss auf die makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs in Abhängigkeit der Interphase getroffen werden. Somit wird in der vorliegenden Arbeit eine inverse Methodik vorgestellt, die mit einer direkten Verknüpfung von realistischer Materialmodellierung und experimentellen Untersuchungen einen neuen Zugang zu unbekannten Werkstoffparametern ermöglicht.In order to improve the mechanical properties of short fiber composites, the fiber-matrix adhesion is decisive and depends strongly on the intersection region between the fiber and the matrix material. However, no perspicuous information about the influence or mechanical properties of the fiber-matrix interphase in short fiber reinforced thermoplastic composites is available. Thus, the present thesis aims for a systematic identification of the geometrical and mechanical impacts of an interphase on the linear-viscoelastic behavior in short glass fiber reinforced thermoplastics. Thereby, the performed investigations are focused on the interaction between micromechanical material modeling and experimental testing. On the one hand, a two-step modeling approach is developed for the realistic description of an entire three phase composite with interphase including anisotropic and linear-viscoelastic effects. On the other hand, the input of this model is provided by different experimental testing methods ranging from the micro- to the macroscale characterization of the composite and matrix material. By comparing these experimental results with the linear-viscoelastic modeling output, the impact of the interphase on the mechanical properties of the composite is accessible. Thus, it is shown that a realistic material modeling and experimental investigations are closely interlinked
Beitrag zur Beschreibung des mechanischen Langzeitdeformationsverhaltens von thermoplastischen Kunststoffen
No full textDie Finite Elemente Analyse (FEA) hat sich in den letzten Jahren als Werkzeug für die Bauteilauslegung fest etabliert. Die Berechnung des Langzeitverhaltens von Kunststoffbauteilen stellt hierbei immer noch eine große Herausforderung dar. Gängige FEA-Programme verfügen zwar über eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialmodellen, die jedoch nur bedingt in der Lage sind, die stark nichtlineare Zeit-, Temperatur- und Lastabhängigkeit des mechanischen Werkstoffverhaltens der Kunststoffe in guter Näherung darzustellen. Darüber hinaus stehen für die Berechnung oftmals nur wenige Werkstoffdaten zur Verfügung. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, mit der das mechanische Werkstoffverhalten von Kunststoffen über einen weiten Last-, Temperatur- und Zeitbereich abgebildet werden kann. Die Methode beinhaltet eine Erweiterung eines linear viskoelastischen Materialmodells sowie die Auswertung und Aufbereitung der Messdaten zu dessen Kalibrierung. Basierend auf um-fangreichen Untersuchungen werden werkstoffgerechte Annahmen getroffen, die es ermöglichen, das Materialmodell bereits anhand von uniaxialen Zugkriechdaten ausreichend zu kalibrieren. Da diese Daten meist in Werkstoffdatenbanken hinterlegt sind, kann somit auf Basis dieser vorliegenden Daten, die gegebenenfalls durch Kurzzeitzugkriechdaten ergänzt werden müssen, eine verbesserte Berechnung des temperatur- und lastabhängigen Langzeitverhaltens von Kunststoffkomponenten erzielt werden.In the past years the Finite Element Analysis (FEA) has established as a tool for the dimen-sioning of plastics parts. The simulation of the mechanical longterm behaviour with this tool is still a challenging task. Common FEA tools indeed offer a number of material models, but these models can not sufficiently represent the time, load and temperature dependency of the mechanical longterm behaviour of plastics. Furthermore, there are just few material data available in material databases to calibrate the material models. This thesis presents a method to simulate the mechanical longterm behaviour of polymers over a wide range of time, temperature and load. The method includes a modification of a linear viscoelastic model and a procedure for the model calibration. On the basis of extensive experiments assumptions are made, which enable a calibration of the model on the basis of uniaxial tensional creep data, which are most of the time available in material data bases. Therefore an improvement of the simulation of plastics components can be achieved on the basis of available material data which, if necessary, are complemented by some shortterm creep data
Otomotiv uygulamaları için kompozit-metal yapılarda intrinsik bağlantı arayüzü geliştirilmesi
No full textYirmi birinci yüzyılda hafif konstrüksiyon tasarımları farklı alanlara uygulanabilirliği, yakıt tasarrufu ve güvenli sürüş amaçları sebebiyle büyük talep görmektedir. Kompozit malzemeler yüksek birim başına dayanım kuvveti sebebiyle bir hafif malzeme olarak havacılık, otomotiv ve denizcilik sektörlerinde yaygın kullanımdadır. Kompozit parçaları diğer parçaları bağlamak için kullanılan yaygın bir bağlantı yöntemilerinden biri delik delerek cıvatalamadır. Ancak, cıvatalama kompozit malzemenin delinmesini gerektirmektedir ki bu malzemenin dayanımını ciddi ölçüde azaltır. Cıvata bölgesini güçlendirmek ve delme işlemi olmaksızın cıvata deliği oluşturma imkanı sağlayan bir yöntem kompozitin üretimi sırasında cıvata deliği bölgesine kompozitin tabakaları arasına insert yerleştirmedir. Bu tez çalışmasında bir Mercedes benz kamyon parçasının bağlantı bölgesi için üç farklı tip güçlendirme insert'ü tasarlanmıştır. Bunlar metal insert, termoplastik insert ve metal-termoplastik hibrit insert'lerdir. Buna ek olarak, dört tip düz örgü cam elyaf-epoxy kompozit numune üretilmiştir. Bunların üç tanesinin tabakaları arasında insert yerleştirilmişl, bir tanesi delinmiş ve referans olması için insert'süz bırakılmıştır. Numunelere yarı durağan yükleme koşullarında pin çekme testi uygulanmıştır. Test sonuçlarına göre tüm insert'lü kompozit numunelerin son yük taşıma kapasitelerinin arttığı gözlenmiştir (en çok %44 artış). Ek olarak, delinmemiş kompozit numunelerin delik bölgelerinin mukavemetinin referans numuneye göre %74 seviyesinde güçlendiği gözlenmiştir. Öte yandan, insert yerleştirilmiş numunelerin katmanlarında ciddi birbirinden ayrılma gözlenmiştir (3mm'ye kadar). Hepsine ek olarak, testler sonlu elemanlar analizi programı Abaqus'ta modellenmiştir. Analiz ve test sonuçları arasındaki tokluk hatası referans numune için sadece %5, metal insert'lü numune için %39.2 seviyesindedir. Ne yazık ki, elastik bölge sonrası malzeme özellikleri sonlu elemanlar analizi sonucunda iyi seviyede yakınsamamıştır.The lightweight construction is in great demand in the 21st century with the increasing need for fuel saving, safety concerns and customized material properties. For its high specific strength and customizable material properties, the composite materials have found its place as a major lightweight material in aerospace, marine and automotive industries. One fastening technique to join these composite parts to other components is bolted joining which requires drilling to form the holes. Nevertheless, drilling weakens the properties of the composite enormously. One technique to reinforce the joint is to place inserts in the bearing region during the production of the composite. In this work, three different reinforcement inserts were designed for joint region of a Mercedes-Benz Truck component, namely metal insert (M), polymer insert (P) and metal- polymer insert (MP). Four different types of glass/epoxy, plain weave textile composite (PWTC) specimens were designed. One specimen type is only drilled which is used as reference, and other three specimen types have inserts embedded between their layers. The specimens were tested under quasi-static loading conditions at a two-parallel pinned pull-through test. It is observed that all the inserted specimens have higher ultimate load capacity relative to the reference specimens (up to 44% improvement). Besides, the bearing strength increases up to 74.7% at the non-drilled specimen types. However, placement of inserts leads to significant delamination failure (up to 3mm delamination at polymer inserted specimen). Moreover, the pin pull-through test of reference specimen and metal inserted specimen were modeled in commercial Abaqus FEA software. Stiffness values from FE analysis is in relatively good correlation with experimental stiffness. The stiffness errors for reference and metal inserted specimens are 5% and 39.2% consequently. The non-elastic response of PWTC specimens were not properly represented in the FE models
Methodik zur Modellierung des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens von thermoplastischen Elastomeren
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