Spruce wood is frequently used as an energy absorbing material in impact limiters of packages for the transportation of radioactive material. A 9m drop test onto an unyielding target is mandatory for the packages. The impact results in a dynamic compression load of the spruce wood inside the impact limiter. The lateral dilation of the wood is restrained thereby due to encasing steel sheets. This work's objective was to provide a material model for spruce wood based on experimental investigations to enable the calculation of such loading conditions.
About 600 crush tests with cubical spruce wood specimens were performed to characterize the material. The compression was up to 70% and the material was assumed to be transversely isotropic. Particularly the lateral constraint showed to have an important eect: the material develops a high lateral dilation without lateral constraint. The force-displacement characteristics show a comparably low force level and no or only slight hardening. Distinctive softening occurs after the linear-elastic region when loaded parallel to the ber. On the other hand, using a lateral constraint results in signicantly higher general force levels, distinctive hardening and lateral forces. The softening eect when loaded parallel to the ber is less distinctive. Strain rate and temperature raise or lower the strength level, which was quantied for the applicable ranges of impact limiters.
The hypothesis of an uncoupled evolution of the yield surface was proposed based on the experimental ndings. It postulates an independent strength evolution with deviatoric and volumetric deformation. The hypothesis could be established using the rst modeling approach, the modied LS-DYNA material model MAT_075. A transversely isotropic material model was developed based thereupon and implemented in LS-DYNA. The material characteristics of spruce wood were considered using a multi-surface yield criterion and a non-associated ow rule. The yield criterion uses linear interpolation of the strength of constrained and unconstrained spruce wood. Thus multiaxial stress states can be considered. The calculation of the crush tests showed the ability of the model to reproduce the basic strength characteristics of spruce wood. The eect of lateral constraint can be reproduced well due to the uncoupled evolution of the yield surface. On the contrary, the strength is overestimated for load under acute angles, which could be prevented using modied yield surfaces. The eects of strain rate and temperature are generally reproduced well but the scaling factors used should be improved. The calculation of a drop test with a test-package equipped with wood-lled impact limiters conrmed the model's performance and produced feasible results. However, to create a veried impact limiter model further numerical and experimental investigations are necessary.
This work makes an important contribution to the numerical stress analysis in the context of safety cases of transport packages.

1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1

1.1 Zielsetzung 1

1.2 Gliederung der Arbeit 2

2 Grundlagen 3

2.1 Transport- und Lagerbehälter für radioaktive Stoe 3

      2.1.1 Anforderungen und Nachweisführung 4

      2.1.2 Stoÿdämpferbauformen 6

      2.1.3 Schlussfolgerungen 7

2.2 Das Material Fichtenholz 9

      2.2.1 Struktur 10

      2.2.2 Mechanische Eigenschaften 12

      2.2.3 Einussgröÿen auf die mechanischen Eigenschaften 16

2.3 Kontinuumsmechanische Grundlagen 20

      2.3.1 Kinematik und Spannungsmaÿe 20

      2.3.2 Bilanzgleichungen und konstitutive Materialgleichungen 23

      2.3.3 Prinzip der virtuellen Arbeit 26

2.4 Finite-Elemente-Methode 26

      2.4.1 Örtliche Diskretisierung 27

      2.4.2 Numerische Lösung 28

2.5 Zusammenfassung 31

3 Experimentelle Untersuchungen mit Fichtenholz 33

3.1 Aktueller Kenntnisstand 33

      3.1.1 Grundlegendes Verhalten von Holz unter Druckbelastung 33

      3.1.2 Einussgröÿen 35

      3.1.3 Schlussfolgerungen 39

3.2 Material und Methoden 39

      3.2.1 Druckversuche 39

      3.2.2 Weitere experimentelle Untersuchungen 49

3.3 Versuchsergebnisse und Diskussion 50

      3.3.1 Druckversuche - Basiskurven 50

      3.3.2 Druckversuche - Einussfaktoren 56

      3.3.3 Weitere experimentelle Untersuchungen 62

3.4 Zusammenfassende Diskussion 64

4 Modellierung von Fichtenholz unter dynamischer Druckbelastung 67

4.1 Stand von Wissenschaft und Technik 67

      4.1.1 Mikromechanisch motivierte Materialmodelle 67

      4.1.2 Kontinuumsmechanische Materialmodelle 68

      4.1.3 Schlussfolgerungen 71

4.2 Annahmen und Überlegungen zur Modellbildung 71

4.3 Isotropes Materialmodell mit ellipsenförmiger Flieÿäche (mod. MAT_075) 73

      4.3.1 Modikation des Materialmodells MAT_075 74

      4.3.2 Implementierung des Materialmodells mod. MAT_075 75

      4.3.3 Funktionsprüfung des Materialmodells mod. MAT_075 76

      4.3.4 Ableitung von Eingangsdaten für das Materialmodell mod. MAT_075 76

4.4 Simulationsergebnisse und Diskussion des Materialmodells mod. MAT_075 80

4.5 Transversal isotropes Materialmodell mit mehrächiger Flieÿbedingung (tiM) 87

      4.5.1 Entwicklung des Materialmodells tiM 87

      4.5.2 Implementierung des Materialmodells tiM 100

      4.5.3 Funktionsprüfung des Materialmodells tiM 102

      4.5.4 Ableitung von Eingangsdaten für das Materialmodell tiM 103

4.6 Simulationsergebnisse und Diskussion des Materialmodells tiM 105

      4.6.1 Nachrechnung von Druckversuchen an Fichtenholzproben 107

      4.6.2 Beispielhafte Anwendung des Materialmodells tiM im Fallversuch 114

4.7 Zusammenfassende Diskussion 120

5 Zusammenfassung und Ausblick 125

A Anhang 131

A.1 Tensor- und Matrixschreibweise 131

A.2 Übersicht über die Druckversuche 132

A.3 Temperaturmessung an einer temperierten Probe 134

A.4 Versuchsaufbau zur Abschätzung des Reibkoezienten 136

A.5 Vollständige Darstellung der Ergebnisse der Druckversuche 137

A.6 Numerische Funktionsprüfung des Materialmodells mod. MAT_075 142

A.7 Übersicht über die Eingangsdaten des FE-Modells der Druckversuche 145

A.8 Herleitung der Festigkeitsvektoren für Zug und Schub (tiM) 146

A.9 Herleitung der Flieÿvektoren für Zug und Schub (tiM) 148

A.10 Detaillierte Struktur des Materialmodells tiM 149

A.11 Numerische Funktionsprüfung des Materialmodells tiM 152

A.12 Übersicht über die Eingangsdaten des Materialmodells tiM 157

A.13 Übersicht über die Eingangsdaten des FE-Fallversuchmodells 158

Abkürzungen und Symbole 161

Abbildungsverzeichnis 169

Tabellenverzeichnis 171

Publikationen im Zuge der Arbeit 173

Literaturverzeichnis 175

中国计量科学院文献馆