Nicht-lokale Versagensformulierung zur Simulation des spannungsratenabhängigen Bruchverhaltens von Verbundsicherheitsglas und ihre Anwendung beim Kopfaufprall auf Windschutzscheiben

Dieses Buch behandelt sowohl experimentelle als auch numerische Aspekte des Kopfaufpralls auf die Windschutzscheibe. Ziel der Untersuchungen ist die Umsetzung eines nicht-lokalen Berechnungsmodells mit dem das Bruchverhalten der Windschutzscheibe unter Impaktbelastung prognosesicherer abgebildet werden kann. Darüber hinaus wird die verwendete FE-Modellierungstechnik dargestellt und die Vor- und Nachteile klassischer Versagenskriterien herausgearbeitet.Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird ein bruchmechanisch motivierter, nicht-lokaler Ansatz zur Regularisierung der Methode der Elementlöschung erarbeitet und anhand der durchgeführten Kopfaufprallversuche validiert. Danksagung 6 Kurzfassung 7 Abstract 8 Inhaltsverzeichnis 9 Abkürzungen und Formelzeichen 12 Hinweise zur Tensoralgebra 17 1 Einleitung 18 1.1 Windschutzscheibe 18 1.2 Kopfaufprall auf die Windschutzscheibe 20 1.3 Stand der Forschung 23 1.4 Inhalt und Ziel der Arbeit 26 1.5 Erfolgte Veröffentlichungen der Ergebnisse 28 2 Theoretische Grundlagen 30 2.1 Elastomechanische Grundlagen 30 2.1.1 Spannungen 30 2.1.1.1 Spannungstensor 30 2.1.1.2 Hauptspannungen 33 2.1.1.3 Gleichgewicht und Impulsbilanz 37 2.1.2 Kinematik 39 2.1.3 Elastisches Materialverhalten 42 2.2 Grundannahmen der Plattentheorie 45 2.3 Explizite FEM 47 2.3.1 Schwache Form der Impulsbilanz 47 2.3.2 Räumliche Diskretisierung 49 2.3.3 Explizite Zeitintegration 51 2.4 Linear Elastische Bruchmechanik 53 2.4.1 Entwicklung 53 2.4.2 K–Konzept 54 2.4.3 Korrekturfaktor 57 3 Windschutzscheibenkomponenten 60 3.1 Floatglas 60 3.1.1 Allgemeines 60 3.1.2 Herstellung 60 3.1.3 Mechanische Eigenschaften 63 3.1.4 Festigkeits- und Brucheigenschaften 63 3.1.4.1 Bruchfestigkeit 63 3.1.4.2 Stochastische Bruchspannungsverteilung 66 3.1.4.3 Subkritisches Risswachstum 69 3.1.4.4 Spannungsratenabhängige Festigkeit 72 3.2 Polyvinylbutyral–Zwischenschicht 77 3.2.1 Allgemeines 77 3.2.2 Herstellung 79 3.2.3 Mechanische Eigenschaften 80 3.2.4 Zugversuche 82 3.3 Verbundsicherheitsglas 83 4 Bauteilversuche 88 4.1 Versuchsaufbau 88 4.2 Initialrissortung 90 4.2.1 Allgemeines 91 4.2.2 Prinzip der Schallortung 95 4.2.3 Messmethodik der Schallemissionsanalyse 99 4.2.4 Validierungsversuch unter quasistatischer Belastung 100 4.3 Versuchsergebnisse 105 4.3.1 Konfiguration I 106 4.3.2 Konfiguration II 108 4.3.3 Konfiguration III 109 4.3.4 Konfiguration IV 110 5 Finite Elemente Simulation 112 5.1 Modellierung 112 5.1.1 Kopfimpaktor 112 5.1.2 Verbundsicherheitsglas (VSG) 112 5.1.3 Zwischenschicht 114 5.1.4 Scheibenklebstoff 117 5.2 Konvergenzbetrachtung 123 5.3 Deformationsverhalten 125 5.4 Versagensmodellierung 133 5.4.1 Hauptspannungs- und Hauptdehnungskriterium 135 5.4.2 Versagenskriterium nach PYTTEL et al. 138 6 Alternatives, nicht-lokales Versagenskriterium 143 6.1 Voruntersuchung 143 6.2 Modellbeschreibung 145 6.2.1 Grundlegende Annahmen zur Festigkeits– / Risslängenverteilung 146 6.2.2 Intakter Zustand 148 6.2.3 Bestimmung der Versagenskriterien 149 6.2.3.1 Hauptwerte 149 6.2.3.2 Versagensbedingung 149 6.2.3.3 Regularisierungsansatz 153 6.2.4 Rissfortschritt 158 6.3 Simulationsergebnisse 161 7 Zusammenfassung und Ausblick 175 Literatur- und Normenverzeichnis 178 Literatur 178 Normen und technische Richtlinien 194 A Anhang 195 Front Matter ....Pages i-xxi Einleitung (Christian Alter)....Pages 1-12 Theoretische Grundlagen (Christian Alter)....Pages 13-42 Windschutzscheibenkomponenten (Christian Alter)....Pages 43-70 Bauteilversuche (Christian Alter)....Pages 71-94 Finite Elemente Simulation (Christian Alter)....Pages 95-125 Alternatives, nicht-lokales Versagenskriterium (Christian Alter)....Pages 127-158 Zusammenfassung und Ausblick (Christian Alter)....Pages 159-161 Back Matter ....Pages 163-182