Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse und integrative Berechnung der Schwingungsfestigkeit kurzglasfaserverstärkter Thermoplastbauteile

Kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste müssen in vielen Anwendungen hochfrequente Schwingungsanregungen ertragen, die zu einer Einschränkung ihrer Betriebsfestigkeit führen. In der Automobilindustrie kommen diese Werkstoffe z. B. für Zylinderkopfhauben bei Verbrennungsmotoren und für Generatorabdeckungen und Bürstenhalter bei Elektromotoren zum Einsatz. In der Haushaltsgeräteindustrie werden sie für viele Arten von Gehäusebauteilen genutzt. Existierende simulative Auslegungsmethoden auf Basis von Wöhlerkonzepten können das Ermüdungsverhalten jedoch nur bei geringen Belastungsgeschwindigkeiten und nicht frequenzabhängig abbilden.

Daher stellt das Ziel dieses Forschungsvorhabens die Entwicklung einer praxisnahen Methode zur Berücksichtigung von hochfrequenten Schwingungsanregungen in der Bauteilauslegung dar. Die erforderlichen viskoelastischen Werkstoffeffekte, wie das anisotrope frequenzabhängige Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten sowie das Festigkeitsverhalten werden für kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste erfasst und in eine integrative Simulationsmethode implementiert.

In Ermüdungsprüfungen mit elektrodynamischen Shakern wird das hochfrequente Schwing- und Lebensdauerverhalten eines ausgewählten Bauteils analysiert. Darüber hinaus wird in Dauerschwingversuchen mit servohydraulischen Prüfmaschinen der Frequenzeinfluss auf das Ermüdungsverhalten mit dem Ziel analysiert, erstmalig auch für den Frequenzbereich bis zu mehreren 102 Hz eine Einschätzung der zu erwartenden Betriebsfestigkeit geben zu können. Für die simulative Abbildung der Schwingungsfestigkeit auf Basis dieser Festigkeitskennwerte werden interdisziplinär Prinzipien der anisotropen Akustiksimulation weiterentwickelt. Von der Entwicklung dieser durchgängigen Analyse, Beschreibung und Abbildung des Ermüdungsverhaltens profitieren damit besonders KMU, die sich mit Konzeptionierung, Prüfung und Auslegung der vielfältigen, schwingend hoch beanspruchten Strukturbauteile beschäftigen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurden die viskoelastischen Eigenschaften zweier kurzglasfaserverstärkten Kunststoffe mit unterschiedlichen Fasermassengehalten anhand der Dynamisch Mechanischen Analyse charakterisiert. Des Weiteren wurde das Ermüdungsverhalten bei jeweils drei unterschiedlichen Frequenzen bis 90 Hz in konventionellen Wöhlerversuchen bestimmt. Aufgrund der durch die hohe Prüffrequenzen induzierten starken Eigenerwärmung der geprüften Werkstoffe wurde ein neues adaptives Kühlsystem entwickelt und validiert, das erstmalig quasi-isotherme Wöhlerversuche ermöglicht. Folglich konnten Wöhlerversuche durchgeführt werden, um den Frequenzeinfluss bei konstanter Werkstofftemperatur zu untersuchen. Höhere Prüffrequenzen führen zunächst zu einer höheren zyklischen Lebensdauer, weshalb für eine konservative Ermüdungsabschätzung Wöhlerdaten bei niedrigen Frequenzen (beispielsweise 5 Hz) verwendet werden können. Der primäre zu berücksichtigende Werkstoffeffekt ist die Reduktion der Lebensdauer durch die Temperaturerhöhung.

Gleichzeitig wurde eine integrative Simulationskette für die numerische Berechnung des Schwingverhaltens aufgebaut, das einen Lösungsalgorithmus im Frequenzbereich verwendet. Die Kalibrierung des frequenzabhängigen Werkstoffverhaltens erfolgte im Reverse-Engineering Verfahren. Die entwickelte Methodik wurde anhand von Resonanzverweilprüfungen an einem neuentwickelten Schwingprobekörper überprüft.

Es konnte festgestellt werden, dass bei kritischen Beanspruchungszuständen trotz einer Biegebeanspruchung ebenfalls eine Werkstofferwärmung während der Resonanzverweilprüfungen auftritt und so das Ermüdungsverhalten nachteilig verändert wird. Mit der entwickelten Methodik ist es möglich die Schwingfestigkeit komplexer geometrischer Strukturen aus kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten numerisch abzuschätzen, sobald für die Evaluierung der resultierenden Beanspruchung temperaturabhängige Ermüdungsdaten verwendet werden.