Berücksichtigung der Viskoelastizität in der Betriebsfestigkeitsanalyse von kurzfaserverstärkten Kunststoffen

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@phdthesis{705c7964ec444a26b3f8e0284a6d236e,
title = "Ber{\"u}cksichtigung der Viskoelastizit{\"a}t in der Betriebsfestigkeitsanalyse von kurzfaserverst{\"a}rkten Kunststoffen",
abstract = "Immer strengere Auflagen hinsichtlich Treibhausgase und Energieeffizienz zwingen die Industrie, im Speziellen den Transportsektor, zu mehr Leichtbauma{\ss}nahmen. Somit r{\"u}cken Leichtbauwerkstoffe, wie Kunststoff immer st{\"a}rker in den Fokus von Komponentenherstellern. Eine gro{\ss}e Palette von Kunststofftypen und Anwendungsm{\"o}glichkeiten erfordern genaue Kenntnisse {\"u}ber die ertragbaren Belastungen f{\"u}r den jeweiligen Einsatz. Um den Werkstoff gezielt auslegen zu k{\"o}nnen, wurden in der Vergangenheit eine ganze Reihe von Erkenntnissen und Modellen publiziert, die sich vorwiegend mit sogenannten Konstruktionskunststoffen besch{\"a}ftigen. Da die Palette an Kunststoffen f{\"u}r Strukturbauteile auch mit Standardkunststoffen erweitert wird, gilt es im Zuge der vorgelegten Arbeit, mit kurzglasfaserverst{\"a}rkten Polypropylen, einen Standardkunststoff n{\"a}her zu untersuchen. Die dabei untersuchten Kenngr{\"o}{\ss}en sind die Faserorientierung und -gehalt, sowie Mittelspannung, Temperatur und Kerbwirkung. Aufgrund des haupts{\"a}chlichen Einsatzes von Polypropylen {\"u}ber der Glas{\"u}bergangstemperatur, liegt der Fokus bei den untersuchten Einflussgr{\"o}{\ss}en auf dem viskoelastischen Materialverhalten. Daf{\"u}r wurden durch Spritzguss hergestellte Pr{\"u}fk{\"o}rper sowie Pr{\"u}fk{\"o}rper aus spritzgegossenen Platten getestet. Um die Einflussgr{\"o}{\ss}en zu untersuchen, wurden quasi-statische (Zugversuche), statische (Kriechversuche) und zyklische Versuche (Erm{\"u}dungsversuche) durchgef{\"u}hrt. Zus{\"a}tzliche Versuche, bei denen statische und zyklische Belastungen kombiniert wurden (als „kombinierte Versuche“ bezeichnet), liefern eine direkte Aussage {\"u}ber das viskoelastische Verhalten und die Auswirkungen auf die Lebensdauer. Dabei wurden die konstanten Lastniveaus auf die maximale, minimale oder mittlere Spannung der zyklischen Belastung gelegt. Die Haltezeiten variieren dabei zwischen 0% (rein zyklisch), 25%, 50%, 75%, und 100% (reines Kriechen) der Gesamtversuchszeit. Die Ergebnisse aus statischen und zyklischen Versuchen zeigen, dass eine {\"A}nderung des Fasergehaltes einen Einfluss auf die Faserorientierung hat. So liegt bei Polypropylen mit 50% Glasfaserverst{\"a}rkung ein Unterschied in der (Zug-) festigkeit von rund 40% bei Proben entlang der Platte vor, wogegen bei Polypropylen mit 40% Glasfaserverst{\"a}rkung kein Unterschied zu verzeichnen ist. Weiters zeigt sich ein Einfluss der Faserorientierung in Wechselwirkung mit Kerben. So liegt bei l{\"a}ngs orientierten Pr{\"u}fk{\"o}rpern eine h{\"o}here St{\"u}tzwirkung als bei quer orientierten Pr{\"u}fk{\"o}rpern vor. Dieser Effekt nimmt mit kleineren Kerbradien zu. Die kombinierten Versuche bei PP-GF40 mit 75% Halten bei Oberlast zeigen eine Reduktion der ertragbaren Schwingspielzahl bei einem definierten Spannungsniveau von bis zu 90% im Vergleich zu rein zyklischer Belastung. Somit wirken sich konstante Haltebelastungen zwischen zyklischen Belastungen nicht nur auf die Versagenszeit, („Time-to-failure“) sondern ebenso auf die ertragbare Zyklenzahl, aus. Da der Effekt auf die Versagenszeit gr{\"o}{\ss}er ist (als auf die Zyklenzahl), gilt es diese in der Lebensdauerberechnung zu ber{\"u}cksichtigen. Dies erfolgt mittels Time-to-failure Kurven (erg{\"a}nzend zu W{\"o}hlerlinien), isochronen Haigh-Diagrammen und eines neu entwickelten, zeitabh{\"a}ngigen Klassierungsverfahren. Versuche zeigen, dass die Zeitstandfestigkeit als maximales Belastungslimit f{\"u}r die Mittelspannungsempfindlichkeit herangezogen werden sollte. Eine im Zuge dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt es, statische Lasten, abh{\"a}ngig von Belastungsdauer und -niveau in der Lebensdauerbewertung zu ber{\"u}cksichtigten. Die entwickelte, zeitabh{\"a}ngige Klassierung bietet die M{\"o}glichkeit konstante Last und Dehnratenabh{\"a}ngigkeiten zu klassieren und somit in einer Lebensdauerbewertung mit stochastischen Belastungen abzubilden.",
keywords = "short-fibre reinforced polymers, visco-elasticity, fatigue tests, modelling, creep, polypropylene, operational strength, Kurzfaserverst{\"a}rkte Polymere, Viskoeastizit{\"a}t, Erm{\"u}dungsversuche, Modellierung, Kriechen, Polypropylen, Betriebsfestigkeit",
author = "Gabriel Stadler",
note = "gesperrt bis 26-08-2026",
year = "2021",
language = "Deutsch",
school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

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TY - BOOK

T1 - Berücksichtigung der Viskoelastizität in der Betriebsfestigkeitsanalyse von kurzfaserverstärkten Kunststoffen

AU - Stadler, Gabriel

N1 - gesperrt bis 26-08-2026

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Immer strengere Auflagen hinsichtlich Treibhausgase und Energieeffizienz zwingen die Industrie, im Speziellen den Transportsektor, zu mehr Leichtbaumaßnahmen. Somit rücken Leichtbauwerkstoffe, wie Kunststoff immer stärker in den Fokus von Komponentenherstellern. Eine große Palette von Kunststofftypen und Anwendungsmöglichkeiten erfordern genaue Kenntnisse über die ertragbaren Belastungen für den jeweiligen Einsatz. Um den Werkstoff gezielt auslegen zu können, wurden in der Vergangenheit eine ganze Reihe von Erkenntnissen und Modellen publiziert, die sich vorwiegend mit sogenannten Konstruktionskunststoffen beschäftigen. Da die Palette an Kunststoffen für Strukturbauteile auch mit Standardkunststoffen erweitert wird, gilt es im Zuge der vorgelegten Arbeit, mit kurzglasfaserverstärkten Polypropylen, einen Standardkunststoff näher zu untersuchen. Die dabei untersuchten Kenngrößen sind die Faserorientierung und -gehalt, sowie Mittelspannung, Temperatur und Kerbwirkung. Aufgrund des hauptsächlichen Einsatzes von Polypropylen über der Glasübergangstemperatur, liegt der Fokus bei den untersuchten Einflussgrößen auf dem viskoelastischen Materialverhalten. Dafür wurden durch Spritzguss hergestellte Prüfkörper sowie Prüfkörper aus spritzgegossenen Platten getestet. Um die Einflussgrößen zu untersuchen, wurden quasi-statische (Zugversuche), statische (Kriechversuche) und zyklische Versuche (Ermüdungsversuche) durchgeführt. Zusätzliche Versuche, bei denen statische und zyklische Belastungen kombiniert wurden (als „kombinierte Versuche“ bezeichnet), liefern eine direkte Aussage über das viskoelastische Verhalten und die Auswirkungen auf die Lebensdauer. Dabei wurden die konstanten Lastniveaus auf die maximale, minimale oder mittlere Spannung der zyklischen Belastung gelegt. Die Haltezeiten variieren dabei zwischen 0% (rein zyklisch), 25%, 50%, 75%, und 100% (reines Kriechen) der Gesamtversuchszeit. Die Ergebnisse aus statischen und zyklischen Versuchen zeigen, dass eine Änderung des Fasergehaltes einen Einfluss auf die Faserorientierung hat. So liegt bei Polypropylen mit 50% Glasfaserverstärkung ein Unterschied in der (Zug-) festigkeit von rund 40% bei Proben entlang der Platte vor, wogegen bei Polypropylen mit 40% Glasfaserverstärkung kein Unterschied zu verzeichnen ist. Weiters zeigt sich ein Einfluss der Faserorientierung in Wechselwirkung mit Kerben. So liegt bei längs orientierten Prüfkörpern eine höhere Stützwirkung als bei quer orientierten Prüfkörpern vor. Dieser Effekt nimmt mit kleineren Kerbradien zu. Die kombinierten Versuche bei PP-GF40 mit 75% Halten bei Oberlast zeigen eine Reduktion der ertragbaren Schwingspielzahl bei einem definierten Spannungsniveau von bis zu 90% im Vergleich zu rein zyklischer Belastung. Somit wirken sich konstante Haltebelastungen zwischen zyklischen Belastungen nicht nur auf die Versagenszeit, („Time-to-failure“) sondern ebenso auf die ertragbare Zyklenzahl, aus. Da der Effekt auf die Versagenszeit größer ist (als auf die Zyklenzahl), gilt es diese in der Lebensdauerberechnung zu berücksichtigen. Dies erfolgt mittels Time-to-failure Kurven (ergänzend zu Wöhlerlinien), isochronen Haigh-Diagrammen und eines neu entwickelten, zeitabhängigen Klassierungsverfahren. Versuche zeigen, dass die Zeitstandfestigkeit als maximales Belastungslimit für die Mittelspannungsempfindlichkeit herangezogen werden sollte. Eine im Zuge dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt es, statische Lasten, abhängig von Belastungsdauer und -niveau in der Lebensdauerbewertung zu berücksichtigten. Die entwickelte, zeitabhängige Klassierung bietet die Möglichkeit konstante Last und Dehnratenabhängigkeiten zu klassieren und somit in einer Lebensdauerbewertung mit stochastischen Belastungen abzubilden.

AB - Immer strengere Auflagen hinsichtlich Treibhausgase und Energieeffizienz zwingen die Industrie, im Speziellen den Transportsektor, zu mehr Leichtbaumaßnahmen. Somit rücken Leichtbauwerkstoffe, wie Kunststoff immer stärker in den Fokus von Komponentenherstellern. Eine große Palette von Kunststofftypen und Anwendungsmöglichkeiten erfordern genaue Kenntnisse über die ertragbaren Belastungen für den jeweiligen Einsatz. Um den Werkstoff gezielt auslegen zu können, wurden in der Vergangenheit eine ganze Reihe von Erkenntnissen und Modellen publiziert, die sich vorwiegend mit sogenannten Konstruktionskunststoffen beschäftigen. Da die Palette an Kunststoffen für Strukturbauteile auch mit Standardkunststoffen erweitert wird, gilt es im Zuge der vorgelegten Arbeit, mit kurzglasfaserverstärkten Polypropylen, einen Standardkunststoff näher zu untersuchen. Die dabei untersuchten Kenngrößen sind die Faserorientierung und -gehalt, sowie Mittelspannung, Temperatur und Kerbwirkung. Aufgrund des hauptsächlichen Einsatzes von Polypropylen über der Glasübergangstemperatur, liegt der Fokus bei den untersuchten Einflussgrößen auf dem viskoelastischen Materialverhalten. Dafür wurden durch Spritzguss hergestellte Prüfkörper sowie Prüfkörper aus spritzgegossenen Platten getestet. Um die Einflussgrößen zu untersuchen, wurden quasi-statische (Zugversuche), statische (Kriechversuche) und zyklische Versuche (Ermüdungsversuche) durchgeführt. Zusätzliche Versuche, bei denen statische und zyklische Belastungen kombiniert wurden (als „kombinierte Versuche“ bezeichnet), liefern eine direkte Aussage über das viskoelastische Verhalten und die Auswirkungen auf die Lebensdauer. Dabei wurden die konstanten Lastniveaus auf die maximale, minimale oder mittlere Spannung der zyklischen Belastung gelegt. Die Haltezeiten variieren dabei zwischen 0% (rein zyklisch), 25%, 50%, 75%, und 100% (reines Kriechen) der Gesamtversuchszeit. Die Ergebnisse aus statischen und zyklischen Versuchen zeigen, dass eine Änderung des Fasergehaltes einen Einfluss auf die Faserorientierung hat. So liegt bei Polypropylen mit 50% Glasfaserverstärkung ein Unterschied in der (Zug-) festigkeit von rund 40% bei Proben entlang der Platte vor, wogegen bei Polypropylen mit 40% Glasfaserverstärkung kein Unterschied zu verzeichnen ist. Weiters zeigt sich ein Einfluss der Faserorientierung in Wechselwirkung mit Kerben. So liegt bei längs orientierten Prüfkörpern eine höhere Stützwirkung als bei quer orientierten Prüfkörpern vor. Dieser Effekt nimmt mit kleineren Kerbradien zu. Die kombinierten Versuche bei PP-GF40 mit 75% Halten bei Oberlast zeigen eine Reduktion der ertragbaren Schwingspielzahl bei einem definierten Spannungsniveau von bis zu 90% im Vergleich zu rein zyklischer Belastung. Somit wirken sich konstante Haltebelastungen zwischen zyklischen Belastungen nicht nur auf die Versagenszeit, („Time-to-failure“) sondern ebenso auf die ertragbare Zyklenzahl, aus. Da der Effekt auf die Versagenszeit größer ist (als auf die Zyklenzahl), gilt es diese in der Lebensdauerberechnung zu berücksichtigen. Dies erfolgt mittels Time-to-failure Kurven (ergänzend zu Wöhlerlinien), isochronen Haigh-Diagrammen und eines neu entwickelten, zeitabhängigen Klassierungsverfahren. Versuche zeigen, dass die Zeitstandfestigkeit als maximales Belastungslimit für die Mittelspannungsempfindlichkeit herangezogen werden sollte. Eine im Zuge dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt es, statische Lasten, abhängig von Belastungsdauer und -niveau in der Lebensdauerbewertung zu berücksichtigten. Die entwickelte, zeitabhängige Klassierung bietet die Möglichkeit konstante Last und Dehnratenabhängigkeiten zu klassieren und somit in einer Lebensdauerbewertung mit stochastischen Belastungen abzubilden.

KW - short-fibre reinforced polymers

KW - visco-elasticity

KW - fatigue tests

KW - modelling

KW - creep

KW - polypropylene

KW - operational strength

KW - Kurzfaserverstärkte Polymere

KW - Viskoeastizität

KW - Ermüdungsversuche

KW - Modellierung

KW - Kriechen

KW - Polypropylen

KW - Betriebsfestigkeit

M3 - Dissertation

ER -