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T1 - Ansätze zur Lebensdauerberechnung von kurzglasfaserverstärkten Polymeren

AU - Guster, Christoph

N1 - nicht gesperrt

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Dissertation ist die systematische, experimentelle Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von diskontinuierlich kurzglasfaserverstärkten (kgfv) Polymeren in Form von Wöhlerversuchen. Darauf basierend werden für die industrielle Anwendung geeignete Modelle zur Lebensdauerabschätzung von dynamisch belasteten Bauteilen, die aus derartigen Kunststoffen hergestellt sind, entwickelt. Die Basis der betriebsfesten Bauteildimensionierung bildet die Kenntnis des Schwingfestigkeitsverhaltens bei zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von verschiedensten, für den jeweiligen Anwendungsfall relevanten, Einflussgrößen. Zum Aufbau einer umfassenden Datenbasis in Form von Wöhlerversuchen werden drei kgfv Kunststofftypen ausgewählt und eingehend untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei in der Generierung von Wöhlerdaten unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren Matrixtyp, Faserorientierung, Spannungsverhältnis, Temperatur, Umgebungsmedium, Bindenaht und geometrische Kerben. Aus der Vielzahl an durchgeführten Probenversuchen werden Hypothesen bzw. Modelle erarbeitet, anhand derer die am einfachen Probenkörper ermittelten Werkstoffdaten auf komplexe Bauteilgeometrien übertragen werden können. Zur Lebensdauerberechnung von kgfv Kunststoffen werden die abgeleiteten Modelle in die Lebensdauerberechnungssoftware FEMFAT implementiert und anhand von Bauteilversuchen validiert. Um die aus dem Herstellprozess resultierende Faserorientierung zu bestimmen und bereits in der Berechnung der Spannungsverteilung mittels Finiter Elemente Methode (FEM) sowie der Lebensdauerabschätzung berücksichtigen zu können, muss der gesamte Simulationsablauf erweitert werden. Dazu wird erstmalig in dieser Arbeit die Spritzgusssimulation als zusätzliches Glied der Prozesskette vorangestellt. Damit steht für die betriebsfeste Dimensionierung von geometrisch komplexen Strukturbauteilen aus kgfv Kunststoffen eine geschlossene Simulationskette, ausgehend von der Spritzgusssimulation, über die FE-Spannungsberechnung unter Berücksichtigung der Materialanisotropie bis hin zur Lebensdauerberechnung zur Verfügung. Diese stellte eine wesentliche Basis zur zeit- und kosteneffizienten Produktentwicklung dar.

AB - Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Dissertation ist die systematische, experimentelle Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von diskontinuierlich kurzglasfaserverstärkten (kgfv) Polymeren in Form von Wöhlerversuchen. Darauf basierend werden für die industrielle Anwendung geeignete Modelle zur Lebensdauerabschätzung von dynamisch belasteten Bauteilen, die aus derartigen Kunststoffen hergestellt sind, entwickelt. Die Basis der betriebsfesten Bauteildimensionierung bildet die Kenntnis des Schwingfestigkeitsverhaltens bei zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von verschiedensten, für den jeweiligen Anwendungsfall relevanten, Einflussgrößen. Zum Aufbau einer umfassenden Datenbasis in Form von Wöhlerversuchen werden drei kgfv Kunststofftypen ausgewählt und eingehend untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei in der Generierung von Wöhlerdaten unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren Matrixtyp, Faserorientierung, Spannungsverhältnis, Temperatur, Umgebungsmedium, Bindenaht und geometrische Kerben. Aus der Vielzahl an durchgeführten Probenversuchen werden Hypothesen bzw. Modelle erarbeitet, anhand derer die am einfachen Probenkörper ermittelten Werkstoffdaten auf komplexe Bauteilgeometrien übertragen werden können. Zur Lebensdauerberechnung von kgfv Kunststoffen werden die abgeleiteten Modelle in die Lebensdauerberechnungssoftware FEMFAT implementiert und anhand von Bauteilversuchen validiert. Um die aus dem Herstellprozess resultierende Faserorientierung zu bestimmen und bereits in der Berechnung der Spannungsverteilung mittels Finiter Elemente Methode (FEM) sowie der Lebensdauerabschätzung berücksichtigen zu können, muss der gesamte Simulationsablauf erweitert werden. Dazu wird erstmalig in dieser Arbeit die Spritzgusssimulation als zusätzliches Glied der Prozesskette vorangestellt. Damit steht für die betriebsfeste Dimensionierung von geometrisch komplexen Strukturbauteilen aus kgfv Kunststoffen eine geschlossene Simulationskette, ausgehend von der Spritzgusssimulation, über die FE-Spannungsberechnung unter Berücksichtigung der Materialanisotropie bis hin zur Lebensdauerberechnung zur Verfügung. Diese stellte eine wesentliche Basis zur zeit- und kosteneffizienten Produktentwicklung dar.

KW - kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe

KW - Lebensdauerberechnung

KW - Wöhlerlinie

KW - Einflüsse auf die Schwingfestigkeit

KW - short glass fibre reinforced plastics

KW - fatigue life calculation

KW - S/N curve

KW - influences on fatigue life

M3 - Dissertation

ER -