Temperaturabhängige Beschreibung visko-elasto-plastischer Deformationen kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste : Modellbildung, Numerik und Experimente

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein visko-elasto-plastisches Materialmodell zur Beschreibung des realen Materialverhaltens eines kurzglasfaserverstärkten Thermoplasts entwickelt. Hierzu müssen zunächst zahlreiche Experimente durchgeführt werden um das phänomenologische Verhalten des kurzfaserverstärkten Thermoplastes Polyamid 66 mit 35 % Glasfaseranteil charakterisieren zu können. Untersucht wird sowohl das Verhalten im Kurzzeitbereich, wie auch das Langzeitverhalten des faserverstärkten Thermoplastes unter verschiedenen Temperaturen. Um die anisotropen Effekte des Materials beschreiben zu können, werden die Experimente an Proben mit unterschiedlichen Faserorientierungen durchgeführt. Für die beobachteten Phänomene wird mit Hilfe logarithmischer Verzerrungen ein physikalisch und geometrisch nichtlineares Materialmodell entwickelt, dass sich aus einem elastoplastischen Teilwerkstoffgesetz mit Schädigung und kinematischer Verfestigung und mehreren viskoelastischen Teilwerkstoffgesetzen zusammensetzt. Zusätzlich wird der Temperatureinfluss für das viskoelastische Teilmodell unter Verwendung des Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzips berücksichtigt. Hierbei werden die Relaxationszeiten durch einen Temperaturverschiebungsfaktor bei einer Temperaturerhöhung verkleinert. Als weiterer thermischer Effekt wird die anisotrope thermische Wärmeausdehnung im Modell berücksichtigt. Nachdem das mathematische Modell alle wesentlichen Eigenschaften des Materials qualitativ wiedergeben kann, werden die Materialparameter mit Hilfe nichtlinearer Optimierung bestimmt um eine quatitative Übereinstimmung von Simulation und Experiment zu erlangen. Abschließend wird das mathematische Modell in das kommerzielle Finite Element Programm ABAQUS eingebunden und anhand eines repräsentativen mehrdimensionalen Beispiels validiert.

In this thesis a visco-elasto-plastic material model was developed to describe the material behavior of a short glass-fiber reinforced thermoplast. In a first stage numerous experiments were carried out to characterize the response of the short fiber reinforced Polyamide 66 with 35 % glass fibers. The material behavior was investigated in a short-term range as well as in long-term experiments both at different temperature levels. To account for the anisotropic effects, the experiments were performed with varying fiber orientations. Making use of the logarithmic strain measure, a geometric and physical nonlinear phenomenological material model was developed, consisting of an elastoplastic part with kinematic hardening including a damage function and several viscoelastic nonlinear Maxwell models. In addition the influence of temperature on the viscoelastic parts was taken into account by the time-temperature-shift factor where the relaxation times were reduced with an increase in temperature. As a further aspect the anisotropic thermal expansion was incorporated into the model. After the model being able to qualitatively reproduce all significant effects, the inherent material parameters were identified using a nonlinear optimization procedure in order to achieve a good quantitative agreement between experiments and simulation. The thesis concludes with a multidimensional example to validate the model and the identified parameters. For this purpose the material model was implemented into the commercial finite element software ABAQUS.