Experimental investigation and FE-based modeling of temperature dependent nonlinear deformation and damage of short fiber reinforced thermoplastics for automotive applications
Creators: name: Xu, Hao
Publisher: name: Universitätsbibliothek Siegen
Year: 2024

description: Efficient and reliable numerical simulation methods play an important role in the design of industrial components using short fiber reinforced thermoplastics (SFRT). The main goal of this dissertation is to develop a Finite Element (FE) based simulation method capable of capturing the complex mechanical behaviors and predicting the crack initiation of SFRT under a variety of loading conditions, while ensuring that the required computation and parameter calibration efforts are acceptable for industrial applications. To establish a comprehensive material database for modeling purposes, this research extensively characterizes PBT-GF30, a commonly used SFRT material in the automotive industry. The experimental investigation considers a range of loading conditions, including short-term and long-term quasi-static loading, as well as cyclic loading. Furthermore, influential factors such as temperature, strain rate, injection flow direction, thermal aging, and micro-damage are comprehensively examined, providing essential insights into the mechanical properties of SFRT. Mechanical responses of the investigated SFRT are modeled utilizing a hybrid approach combining micro-mechanical and macro-mechanical modeling strategies. This approach employs the Mori-Tanaka mean-field homogenization method to determine the effective linear elastic properties of SFRT, while the macroscopic plastic deformation is described using a macro-mechanical anisotropic viscoplastic model. Within the Continuum Damage Mechanics (CDM) framework, the effects of the matrix micro-damage on the macroscopic behaviors of SFRT are taken into account. A nonlinear damage evolution law, correlated with the material deformation history, accurately captures the different processes of damage accumulation observed in quasi-static and low cycle fatigue (LCF) tests. The proposed material model is implemented in the ANSYS software, employing a hybrid time scheme to ensure compatibility and efficiency for industrial applications. In this approach, the standard implicit time scheme is employed for iterative equilibrium solving at each time step, while an explicit scheme is utilized to evaluate and update damage variables. To enhance software compatibility, standard material models available in the commercial FE software are utilized instead of user-defined subroutines. Moreover, to improve computational efficiency, a clustering technique is employed to group similar fiber orientations and damage variables. Finally, the validity of the simulation method, incorporating calibrated material parameters, is demonstrated through accurate predictions of the mechanical responses observed in both testing specimens and a real industrial component subjected to various loading conditions.
description: Effiziente und zuverlässige numerische Simulationstechniken sind entscheidend für die Konstruktion von Industriekomponenten aus kurzfaserverstärkten Thermoplasten (SFRT). Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Entwicklung einer Finite-Elemente-basierten Methode zur Beschreibung des komplexen mechanischen Verhaltens und der Rissinitiierung von SFRT unter verschiedenen Belastungsbedingungen, wobei der erforderliche Rechenaufwand für industrielle Anwendungen akzeptabel sein soll. Um wesentliche Einblicke in die mechanischen Eigenschaften von SFRT zu gewinnen, wird PBT-GF30, ein in der Automobilindustrie häufig verwendetes SFRT-Material, im Rahmen dieser Arbeit detailliert charakterisiert. Die experimentelle Untersuchung umfasst verschiedene Belastungsbedingungen wie kurz- und langfristige quasi-statische Belastung sowie zyklische Belastung. Einflussfaktoren wie Temperatur, Dehnrate, Einspritzrichtung, thermische Alterung und Mikroschäden werden umfassend untersucht. Das entwickelte Materialmodell kombiniert mikromechanische und makromechanische Modellierungsstrategien, um das mechanische Verhalten von SFRT zu beschreiben. Dabei wird die Mori-Tanaka Homogenisierung für die Bestimmung der effektiven linearen elastischen Eigenschaften verwendet, während die makroskopische plastische Deformation mit einem makromechanischen anisotropen viskoplastischen Modell beschrieben wird. Im Rahmen der Kontinuumschadensmechanik (CDM) werden die Auswirkungen der Mikroschädigungen im Matrixmaterial auf das makroskopische Verhalten von SFRT berücksichtigt. Ein nichtlineares Schädigungsentwicklungsgesetz, das mit der Materialverformungsgeschichte korreliert ist, beschreibt genau die verschiedenen Prozesse der Schadensentwicklung, die bei quasi-statischen und zyklischen Versuchen beobachtet werden. Die Implementierung des entwickelten Materialmodells in der ANSYS-Software erfolgt mit einer hybriden Zeitintegration, um Kompatibilität und Effizienz für industrielle Anwendungen zu gewährleisten. Hierbei wird das implizite Zeitintegration für die iterative Gleichungslösung bei jedem Zeitschritt verwendet, während ein explizites Verfahren zur Aktualisierung von Schadensvariablen eingesetzt wird. Zur Verbesserung der Softwarekompatibilität werden die in der kommerziellen FE-Software verfügbaren Standardmaterialmodelle verwendet. Zusätzlich wird eine Clustering-Technik angesetzt, um ähnliche Faserorientierungen und Schadensvariablen zu gruppieren und so die Recheneffizienz zu erhöhen. Die Effektivität und Anwendbarkeit der Simulationsmethode werden durch genaue Vorhersagen des mechanischen Verhaltens sowohl in Prüfkörpern als auch in einem realen Industriebauteil unter verschiedenen Belastungsbedingungen nachgewiesen.