Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Effiziente Charakterisierung und Modellierung des anisotropen Versagensverhaltens von LFT für die Crashsimulation

Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) zeigen infolge des Fertigungsprozesses lokale Heterogenitäten und zudem ein komplexes Schädigungsverhalten, das von der Faserorientierungsverteilung, dem Faservolumenanteil, der Belastungsart und der Dehnrate abhängt. In dem abgeschlossenen IGF-Vorhaben 17334 N zeigte sich, dass zur Werkstoffcharakterisierung ein aufwendiges Versuchsprogramm nötig ist und dennoch die Lasttragfähigkeit infolge des komplexen Versagensverhaltens nicht zuverlässig prognostiziert werden kann. Daher soll eine Vorgehensweise für die Charakterisierung der Schädigung, des Versagens und deren Simulation für LFT entwickelt werden. Auf mikromechanischer Ebene sollen die Schädigungsmechanismen untersucht und analysiert werden. Herausgearbeitete Effekte, wie die Änderung der thermischen Zustände in Abhängigkeit der lokalen Faserorientierungsverteilung aus einer vorhergehenden Spritzgusssimulation sollen sinnvoll in ein Schädigungsmodell mit einbezogen werden. Aktuelle mikromechanische Simulationstechniken und Modellreduktionsverfahren werden eingesetzt um die Komplexität der verschiedenen anisotropen Effekte zu reduzieren in ein handhabbares makroskopisches Materialmodell zu überführen. Obwohl die Notwendigkeit für eine Verbesserung der Versagensmodellierung für LFT in der Crashsimulation von KMUs erkannt wurde, können diese Firmen (z.B. Dienstleister im Bereich Bauteiloptimierung oder Materialcharakterisierung) aus Kosten- und Kapazitätsgründen neue Material- und Versagensmodelle aufgrund des umfangreichen Versuchsprogramms zur Validierung nicht selbst entwickeln sowie die notwendige Praxiserfahrung nicht sammeln. Das von den beantragenden Instituten zu entwickelnde Verfahren für die Schädigungs- und Versagensmodellierung soll zu einer deutlich effizienteren Charakterisierungsmethode von LFT führen und zu einer zuverlässigeren Crashsimulation beitragen. Das Modell soll in bestehende kommerzielle Crashprogramme integriert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine kosteneffiziente und damit für KMUs anwendbare Vorgehensweise zur Charakterisierung des Schädigungs- und Versagensverhalten von LFT für die Crashsimulation unter Berücksichtigung des Prozesseinflusses entwickelt. Hierfür wurde im Projekt eine Methode erarbeitet, die den Kalibrierungsaufwand durch geeignete Ansätze gering hält. Am Beispiel von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-GF30) wurde insbesondere die Wechselwirkungen von Faserorientierungsverteilung, Faservolumengehalt und Belastungsgeschwindigkeit auf das Versagen untersucht und modelliert.

Der LFT wurde anhand eines umfangreichen Versuchsprogramms charakterisiert und der Einfluss der Faserverteilung und der Dehnrate bestimmt. Durch lokale Untersuchungen, unter anderem mittels Mikrozugproben, wurden die dynamischen mikroskopischen Schädigungsmechanismen analysiert.

Spritzgusssimulationen konnten verbessert und die Faserverteilung in Platten und Bauteilen genau vorhergesagt werden. Anhand von wenigen Versuchen am Matrixmaterial konnte ein mikro-mechanisches Modell entwickelt werden. Dieses kann direkt für die Bauteilsimulation verwendet werden oder durch virtuelle Versuche ein makroskopisches Materialmodell kalibriert werden, wodurch der Versuchsaufwand verringert wird.

Mit *MAT_24, *MAT_157 und dem IWM Usermodell wurden drei Modelle verschiedener Komplexität vorgeschlagen und angepasst, um LFT im Crashverhalten zu simulieren. Insbesondere für *MAT_157 wurde eine Methode entwickelt, um die Abhängigkeit des Materialverhaltens von der lokalen Faserverteilung abzubilden. Die Materialmodelle wurden anhand von dynamischen Komponenten-Versuche validiert und deren verbesserte Vorhersagefähigkeit gezeigt.

Durch die Anwendung dieser Methodik können kleine und mittelständige Unternehmen das anisotropen Deformations- und Versagensverhaltens von LFT kostengünstiger, effizienter und genauer charakterisieren und modellieren.