Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung von Kabeln

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

Kabel sind komplexe Systeme, die aus vielen Komponenten aufgebaut sind und vielseitig, zum Beispiel im Automobil oder in Industrierobotern, Anwendung finden. Der Aufbau eines Kabels beeinflusst dabei maßgeblich dessen mechanische Eigenschaften. Die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten bzw. Schichten eines Kabels führen nicht nur zu einer Dissipation der Energie durch Reibung, sondern beeinflussen auch die Steifigkeit in den verschiedenen Belastungsrichtungen. In der ersten Projektphase hat sich gezeigt, dass ein elastoplastisches anisotropes Materialmodell in Kombination mit 3D Hexaederelementen hoher Ordnung gut geeignet ist, dünne Balkenstrukturen mit anisotropem Verhalten zu modellieren. Bei komplexeren Querschnitten wie Koaxialkabeln ist die bisher verwendete Anisotropie jedoch nicht ausreichend, um die Wechselwirkungen zwischen den Schichten unter Biegung darzustellen. Experimentell wurden die Wechselwirkungen über den Stick-Slip-Effekt bei Zugversuchen beobachtet, die eine Oszillation der Zugkraft zeigen. Darüber hinaus wurde für Biegeversuche eine geringere Reproduzierbarkeit festgestellt, was auf die zufällige und nicht bekannte Ausrichtung der Litzen zurückgeführt werden kann.Ziel des Fortsetzungsantrags ist die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten. Zu diesem Zweck werden Zug-, Torsions- und Biegeversuche an selbst aufgebauten und industriell verwendeten Kabeln durchgeführt. Die Versuche werden hierarchisch auf jeder Ebene der Kabelkonstruktion durchgeführt, um die Unterschiede sichtbar zu machen. Zusätzlich wird ein neuer Probenhalter konstruiert, der Relativbewegungen zwischen den verschiedenen Schichten des Kabels verhindert. Im ersten Projektteil konnte die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse durch eine initiale Zugbelastung deutlich verbessert werden, was detaillierte Untersuchungen zur Höhe und Art der initialen Belastungen motiviert.Zur Modellierung des Verhaltens wird der Kabelquerschnitt schichtweise diskretisiert, wobei jede Schicht ein eigenes Materialmodell mit eigenen Parametern erhält. Dabei wird die starke Anisotropie der Schichten mit Litzen weiter über ein anisotropes Materialmodell abgebildet, während die Ummantelung mit einem isotropen elastoplastischen Materialmodell beschrieben wird. Analog zu den Experimenten werden die Materialeigenschaften schichtweise identifiziert.Als weiteres Ziel wird der reibungsbehaftete Kontakt von Kabeln untersucht. Dafür werden die Kabel in Experimenten tangential entlang eines Kontaktpartners mit unterschiedlichen Oberflächen verschoben. Um die Mortar-Kontaktformulierung dahingehend effizienter zu gestalten, wird adaptives Moment Fitting für die Integration der Kontaktkräfte implementiert und untersucht. Für die bessere Darstellung lokal auftretender Plastizität wird die Interpolation plastischer Geschichtsvariablen, die bisher nur wenig erforscht ist, für adaptive hp-Verfeinerung implementiert und untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen