Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung und Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens von nicht-faserverstärkten Thermoplasten unter mehrachsiger Crashbelastung

Das Crashverhalten von Thermoplasten hängt stark von Dehnrate, Mehrachsigkeit, Belastungsgeschichte und Temperatur ab. Aufgrund des hohen Aufwands werden bei der Charakterisierung und Modellierung diese Einflüsse bislang nicht ausreichend berücksichtigt. Es ist nicht klar, welcher Mehrachsigkeits- und Dehnratenbereich bei der experimentellen Charakterisierung abgedeckt werden müssen. Zu analysieren ist zudem, ob Versuche bei bestimmten Spannungszuständen, die bisher nur eingeschränkt oder lediglich mit komplexen Aufbauten durchführbar sind, auch einfacher realisiert werden können. Weitere offene Fragen sind, welche Werkstoffmodelle für die Crashsimulation von Thermoplasten geeignet sind und wie man deren Parameter bestimmen kann.

Das Ziel des Projekts ist die Standardisierung von Materialprüfungen für Thermoplaste unter Crashbelastung zur Kalibrierung von hochentwickelten Materialmodellen. Dabei spielt die Entwicklung und Optimierung von Probengeometrien zur Materialcharakterisierung unter Scherung, Druck und Biaxialzug bis zum Versagen eine wichtige Rolle. Dadurch können die Abhängigkeit des Verformungs- und Versagensverhaltens von der Dehnrate und der Mehrachsigkeit sowie der Lastpfadeinfluss zuverlässig ermittelt werden. Auf numerischer Seite werden die vorhandenen Verformungsmodelle überprüft. Es wird ein geeignetes Modell mit Berücksichtigung der Abhängigkeit der Dilatanz von der Belastungsrichtung und der adiabatischen Erwärmung verwendet. Auf Basis eines systematischen Vergleichs verschiedener Modelle für Kunststoffe wird ein Versagensmodell zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Dehnrate, Temperatur und Mehrachsigkeit entwickelt und implementiert. Dieses neue übertragbare Schädigungsmodell sowie eine effizientere Parameterermittlung werden die Qualität der virtuellen Entwicklung von Leichtbaukomponenten deutlich verbessern. Davon werden KMU für Konstruktion, Materialcharakterisierung und Softwareentwicklung stark profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine kosteneffiziente und damit für KMUs anwendbare Vorgehensweise zur Charakterisierung des Schädigungs- und Versagensverhalten von Thermoplasten für die Crashsimulation unter Berücksichtigung der Spannungsmehrachsigkeit entwickelt. Hierfür wurde im Projekt eine experimentelle und nummerische Methode erarbeitet, die den Kalibrierungsaufwand durch geeignete Ansätze gering hält. Am Beispiel von Bayblend T65 XF (ein PC/ABS) und Hostacom TKC 471N (ein PP-T40) wurde das Vorgehen zur Untersuchung und Modellierung von Dehnrateneffekten und dem Einfluss des Spannungszustands und der Temperatur von unverstärkten Kunststoffen weiterentwickelt und optimiert.

Für die experimentelle Analyse des mehrachsigen Verhaltens dieser stark duktilen Werkstoffe wurden die Randbedingungen und Probengeometrien diskutiert, optimiert und vereinheitlicht. Darin eingeschlossen war eine thermische Modellierung für thermodynamische Betrachtungen. Der Fokus der Forschung lag auf der Schubbelastung, für die drei verschiedene Probentypen entwickelt wurden. Eine Kreuzzugprobe am biaxialen Prüfstand mit Zug-Druck-Belastung. Eine rotationssymmstrische Disc-Torsions-Probe mit Kerbe. Und eine Scherzugprobe für einachsige Zugmaschinen. Mit *MAT_24, *MAT_168 und *MAT_187 wurden drei Modelle verschiedener Komplexität angepasst und verglichen, um Thermoplaste im Crashverhalten zu simulieren.

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