TY - THES

T1 - Einfluss der Mikrostruktur auf die lokale Schwingfestigkeit von kurzfaserverstärkten Polymeren

AU - Schnetzinger, Manuel

N1 - gesperrt bis 15-09-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Aufgrund des immer stärkeren Leichtbaugedankens werden gehäuft glasfaserverstärkte Polymere wegen deren hervorragenden spezifischen Materialeigenschaften eingesetzt. Um einen sicheren Betrieb der Komponenten ermöglichen zu können, müssen Werkstoffcharakterisierungen zur Dimensionierung unter statischer, quasistatischer und zyklischer Last erfolgen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Gegenüberstellungen der simulierten und der durch µCT-Messungen ermittelten Faserorientierungsverteilung zeigen, dass die auftretenden Abweichungen dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen und im kritischen Bereich Diskrepanzen von 29% erreicht werden. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten einstufigen Wöhlerversuche bei R=0,1 und R=-1 zielen darauf ab, den Einfluss der Mikrostruktur von Längs- und Querproben aus 15 unterschiedlichen Entnahmepositionen der standardisierten, spritzgegossenen CAMPUSPlatte auf die lokale Schwingfestigkeit zu ermitteln. Dabei zeigen die Auswertungen der Wöhlerversuche, dass die Längsprüfkörper (L-Prüfkörper) deutlich höhere Lebensdauerwerte als die Querproben aufweisen. Zus¨atzlich ist bei den L-Proben der Trend ersichtlich, dass die Schwingfestigkeit von der angussnahen Seite bis zum Ende des Fließweges und mit Erh¨ohung des Abstandes zur Plattenmitte deutlich zunimmt. Die Querprüfkörper verhalten sich hier gegenteilig. Bei der Erhöhung der Mittelspannung zeigen sich sowohl bei den Längs- als auch bei den Querproben Reduktionen von rund 40% in der ertragbaren Spannungsamplitude bei einer Million Zyklen. Durch die Verwendung von Miniprüfkörpern und dem zusätzlichen Vergleich mit Kurzprüfkörpern wird der statistischen Größeneinfluss abgebildet. Dieser kann im Rahmen der durchgef¨uhrten Untersuchungen nicht festgestellt werden. Hierfür sollten weitere Experimente erfolgen. Zusätzlich konnte in der vorliegenden Arbeit ein durchgängiger Simulationspfad ausgehend von Shell-Füllsimulation bis zur Lebensdauerberechnung in FEMFAT® aufgezeigt werden, wodurch eine Alternative für unzureichende 3D-Füllsimulationen ermöglicht wird. Aus der rechnerunterstützten Lebensdauerabschätzung zeigen sich trotz der vielfältigen Vereinfachungen für die Längsproben brauchbare (6% Abweichung in der ertragbaren Spannungsamplitude bei einer Million Lastwechsel) und für die Querproben steigerbare (16%) Ergebnisse. Für akkuratere Evaluierungen wird es im Rahmen von weiteren Untersuchungen nötig sein, die Materialmodelle zu verbessern.

AB - Aufgrund des immer stärkeren Leichtbaugedankens werden gehäuft glasfaserverstärkte Polymere wegen deren hervorragenden spezifischen Materialeigenschaften eingesetzt. Um einen sicheren Betrieb der Komponenten ermöglichen zu können, müssen Werkstoffcharakterisierungen zur Dimensionierung unter statischer, quasistatischer und zyklischer Last erfolgen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Gegenüberstellungen der simulierten und der durch µCT-Messungen ermittelten Faserorientierungsverteilung zeigen, dass die auftretenden Abweichungen dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen und im kritischen Bereich Diskrepanzen von 29% erreicht werden. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten einstufigen Wöhlerversuche bei R=0,1 und R=-1 zielen darauf ab, den Einfluss der Mikrostruktur von Längs- und Querproben aus 15 unterschiedlichen Entnahmepositionen der standardisierten, spritzgegossenen CAMPUSPlatte auf die lokale Schwingfestigkeit zu ermitteln. Dabei zeigen die Auswertungen der Wöhlerversuche, dass die Längsprüfkörper (L-Prüfkörper) deutlich höhere Lebensdauerwerte als die Querproben aufweisen. Zus¨atzlich ist bei den L-Proben der Trend ersichtlich, dass die Schwingfestigkeit von der angussnahen Seite bis zum Ende des Fließweges und mit Erh¨ohung des Abstandes zur Plattenmitte deutlich zunimmt. Die Querprüfkörper verhalten sich hier gegenteilig. Bei der Erhöhung der Mittelspannung zeigen sich sowohl bei den Längs- als auch bei den Querproben Reduktionen von rund 40% in der ertragbaren Spannungsamplitude bei einer Million Zyklen. Durch die Verwendung von Miniprüfkörpern und dem zusätzlichen Vergleich mit Kurzprüfkörpern wird der statistischen Größeneinfluss abgebildet. Dieser kann im Rahmen der durchgef¨uhrten Untersuchungen nicht festgestellt werden. Hierfür sollten weitere Experimente erfolgen. Zusätzlich konnte in der vorliegenden Arbeit ein durchgängiger Simulationspfad ausgehend von Shell-Füllsimulation bis zur Lebensdauerberechnung in FEMFAT® aufgezeigt werden, wodurch eine Alternative für unzureichende 3D-Füllsimulationen ermöglicht wird. Aus der rechnerunterstützten Lebensdauerabschätzung zeigen sich trotz der vielfältigen Vereinfachungen für die Längsproben brauchbare (6% Abweichung in der ertragbaren Spannungsamplitude bei einer Million Lastwechsel) und für die Querproben steigerbare (16%) Ergebnisse. Für akkuratere Evaluierungen wird es im Rahmen von weiteren Untersuchungen nötig sein, die Materialmodelle zu verbessern.

KW - lokale Schwingfestigkeit

KW - kurfaserverstärkte Polymere

KW - Faserorientierung

KW - Faseroreintierungsverteilung

KW - Miniprüfkörper

KW - statistischer Größeneinfluss

KW - Füllsimulation

KW - Mapping

KW - Lebensdauerabschätzung

KW - Mikromechanik und Homogenisierung

KW - Mittelspannungseinfluss

KW - PPGF50

KW - local fatigue strenght

KW - short fiber reinforced polymers

KW - fiber orientation

KW - mini test specimen

KW - statistical size effect

KW - filling simulation

KW - mapping

KW - lifetime evaluation

KW - micromechanics and homogenization

KW - mean stress influence

KW - PPGF50

M3 - Masterarbeit

ER -