Verfahren zur Grundauslegung von Tragwerkstrukturen mit Hybrid-Rohren

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der näherungsweisen Auslegung von Tragwerken aus Metall-Faserverbundkunststoffrohren zur Anwendung als Überrollschutz-Vorrichtung. Neben der Auslegung der Hybrid-Rohre soll ebenfalls die Topologie, also die Anordnung der Rohre betrachtet werden. Das Verfahren basiert auf der Berechnung der Verschiebungen und der Schnittkraftverläufe mit einem Balkenmodell. Es werden zunächst die Anforderungen an den Überrollkäfig betrachtet und ein Konzept zur Ausführung mit Hybrid-Rohren vorgestellt. Für die Berechnung der Schnittkraftverläufe werden verschiedene Verfahren wie das Übertragungsmatrizen- oder das Deformationsverfahren beschrieben und diese in einem MATLAB-Skript umgesetzt und mit einer FE-Lösung verglichen. Die Festigkeitsbewertung der Rohre erfolgt an definierten Schnittebenen. In diesen Ebenen wird der Rohrquerschnitt in Kreisringsegmente geteilt und für diese werden mittels der klassischen Laminattheorie die Versagenskriterien berechnet. Die Auswirkung des Versagens einzelner Segmente auf das globale Verhalten wird iterativ berücksichtigt. Die Auslegung der Topologie erfolgt über A-B-Vergleiche und Interpretation der Verschiebungen. Das Simulationsmodell auf Basis von Balkenelementen wird mit einem Python-Skript automatisiert in ABAQUS erstellt. Durch die Implementierung zusätzlicher Knotensteifigkeiten können Knotenverstärkungen bereits bei der Auslegung berücksichtigt werden.

This thesis studies the approximatively design of structural systems consisting of metal/fibre-reinforced plastic hybrid tubes as roll cages. Besides the design of hybrid tubes, the topology, i.e. the layout of the tubes, is considered. The method is based on the computation of the displacement and strain distribution using beam theory. At first, the requirements on a roll cage are evaluated and the design of a roll cage with hybrid tubes is presented. For the computation of strain distributions, the transfer matrix method and deformation method are explained. Both methods are calculated in MATLAB and compared to a finite element solution. The strength of tubes is evaluated at defined cross-sections. At these sections, the tube cross-section is separated into annulus sector and by using classical laminate theory failure critiera are calculated. The impact of failure in single annulus sector on the global behaviour of the whole structure is evaluated iteratively. The design of the topology is done by A-B comparisons and interpretation of displacements. The creation of the simulation model consisting of beam elements is automatised via Python scripts in ABAQUS. By integrating additional joint stiffness in the design phase, joint reinforcements can be achieved.