Mehrskalenmodellierung langfaserverstärkter Thermoplaste – Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Deformations- und Versagensverhalten
Creators: name: Schulenberg, Lukas
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Maschinenbau und Werkstoffwissenschaft
Festkörpermechanik
Spannungen und Versagen
Materialberechungsmethode
experimentelle Materialprüfung

description: Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) bieten im Vergleich zu kurz- und unendlichfaserverstärkten Verbundwerkstoffen hervorragende mechanischen Materialeigenschaften wie z.B. eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig großer Duktilität. Die gute Verarbeitbarkeit von LFT im Spritzgießprozess und die Verwendung von kostengünstigen Ausgangsmaterialien wie Polypropylen für die Matrix und Glasfasern zur Verstärkung machen LFT zu einem effizienten Material für industrielle Anwendungen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein spritzgegossenes langglasfaser verstärktes Polypropylen hinsichtlich des mikrostrukturellen Aufbaus und der mechanischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Lastpfaden und Spannungszuständen untersucht. Mechanische anisotrope, dehnraten- und temperaturabhängige Kenngrößen werden identifiziert, indem experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Prüfkörpern durchgeführt werden. Es lassen sich Korrelationen zur lokalen Mikrostruktur analysieren, die auf den Fasergehalt und die Faserorientierungsverteilung zurückzuführen sind. Es wird ein kontinuumsmechanisches Werkstoffmodell für die strukturmechanische Simulation entwickelt, das lokale Faserorientierungsverteilungen und Faservolumenkonzentrationen berücksichtigt. Dieses makroskopische Materialmodell basiert auf analytischen Homogenisierungsmethoden, das zur recheneffizienten Anwendung an sinnvoller Stelle durch phänomenologische Formulierungen erweitert wird. Im Modell werden sowohl die lokalen Inhomogenitäten, als auch die dehnratenabhängigen Werkstoffeigenschaften bis zum Versagen berücksichtigt. Eine zuverlässige Vorhersage der ortsabhängigen Faserorientierungen ist eine notwendige Voraussetzung und wird mit Hilfe von Spritzgusssimulationen berechnet, was nicht Teil dieser Arbeit ist. Durch die kombinierte Simulation von Formfüllprozess und Bauteilcrash auf Basis der Faserorientierungsverteilung und dem Fasergehalt können lokale Inhomogenitäten in der strukturmechanischen Simulation berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass das in dieser Arbeit entwickelte Materialmodell zu einer verbesserten Crashbewertung von LFT-Bauteilen in der numerischen Simulation führt, indem am Beispiel einer industriellen Komponente die gesamte Prozesskette von der Spritzgusssimulation bis zur Crashsimulation virtuell abgebildet wird.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse von Schädigungsmechanismen auf der Mikroskala mit Hilfe numerischer Zellmodelle. Eine Berücksichtigung festerer Materialeigenschaften im Faserbett (Interphase), infolge von Haftvermittlern, erweist sich hierbei als notwendig um die Schubkraftübertragung zwischen Faser und Matrix korrekt abzubilden. Es lassen sich sowohl die lokalen Kraftübertragungsmechanismen zwischen Faser und Matrix detailliert darstellen, als auch tendenzielle Aussagen über werkstoffspezifische Kenngrößen wie Fasergehalt und Aspektverhältnis gegenüber dem makroskopischem Schädigungs- und Versagensverhalten von LFT analysieren. Hierbei verdeutlichen z.B. die Auswertungen der Bruchenergien die notwendige Optimierungsaufgabe im Beispiel eines anforderungsorientierten Werkstoffdesigns hinsichtlich Crash- oder Impaktbelastungen.