Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lebensdauerberechnung kurzglasfaserverstärkter Thermoplastbauteile auf Basis von Wöhlerkurven unter Berücksichtigung von Lastkollektiven

Die Lebensdauervorhersage für Bauteile aus technischen kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten ist von essenzieller Bedeutung für die nicht nur von der Automobilindustrie zunehmend geforderte Nutzung in dynamisch-zyklisch hoch beanspruchten Anwendungen. Durch den Einsatz geeigneter Simulationsmethoden kann die Anzahl der bislang etablierten zeit- und kostenintensiven Bauteilwöhlerversuchen reduziert und der Entwicklungsprozess signifikant beschleunigt werden. Bestehende Methoden können häufig nur Schwinglasten mit konstanter Lastform, wie Lastamplitude oder Frequenz, abbilden. In realen Last/Zeit-Verläufen treten jedoch komplexe variable Lastformen auf, die durch Lastkollektive beschrieben werden können. Daher stellt das Ziel dieses Forschungsvorhabens eine praxisnahe Methode zur Berücksichtigung von variablen Lastformen in der Lebensdauervorhersage auf Basis von Wöhlerkurven dar. Dazu wird zunächst untersucht, welche Werkstoffeffekte spezifisch für kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste erfasst werden müssen, um diese anschließend in einer werkstoffgerechten Simulationsmethode abbilden zu können. An exemplarischen Lastkollektiven werden Lastreihenfolgeeffekte und geeignete Methoden zur analytischen Schadensakkumulation einzelner Schwingspiele identifiziert. Die erzielten Erkenntnisse gestatten die Auswahl einer werkstoffgerechten Methode zur Schadensakkumulation. Damit wird KMU eine effizientere Analyse der Ergebnisse von Ermüdungsprüfungen mit variablen Lastformen ermöglicht, als es der auf metallischen Werkstoffen basierende Stand der Technik schafft. Darüber hinaus wird das für unterschiedliche technische Thermoplaste ermittelte Ermüdungsverhalten exemplarisch in eine Simulationsmethode implementiert. Die Verwendung von verbreiteter kommerzieller Software zur Struktursimulation und weiterer, öffentlich dokumentierter Softwaretools ermöglicht es KMU zudem, die Simulationsmethode zu adaptieren, ohne in zusätzliche Software investieren zu müssen.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurden umfangreiche Werkstoffprüfungen zum Ermüdungsverhalten von kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen unter konstanter und dynamisch-zyklischer Beanspruchung durchgeführt. Dabei wurden die Einflussgrößen Faserorientierung, Prüffrequenz, Beanspruchungszustand und variierende Prüfsequenzen auf das Degradations- und Ermüdungsverhalten untersucht. Diese Untersuchungen tragen zu einem besseren Werkstoffverständnis von kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen bei.

Gängige Schadenakkumulationsmethoden wurden evaluiert, um geprüfte exemplarische Lastkollektive nachzubilden und die Eignung zur werkstoffgerechten Abbildung zu überprüfen.

Darüber hinaus wurde eine numerische Simulationskette zur Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen und der prozessabhängigen Werkstoffeigenschaften aufgebaut und um eine Schadensakkumulationsberechnung zur Abbildung von wechselnden Beanspruchung in Last/Zeit-Verläufen erweitert.

Die Berechnungsmethodik zeichnet sich durch einen geringen Kalibrierungsaufwand und einer einfachen Handhabung aus, wodurch eine breite Anwendung in der Praxis resultieren kann. Als Eingangsdaten zur Beschreibung des Materialverhaltens dienen etablierte Zugversuche und geometrieunabhängige Wöhlerversuche, wodurch eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauteilgeometrien dimensioniert und untersucht werden können und auf kostspielige Bauteilprüfungen verzichtet werden können. Somit kann auch schon sehr früh in der Produktentwicklung eine Aussage über die Funktionsfähigkeit der entwickelten Struktur getroffen und entsprechend das Produktdesign verbessert werden.