Mehrskalenmodellierung langfaserverstärkter Thermoplaste – Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Deformations- und Versagensverhalten

Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) bieten im Vergleich zu kurz- und unendlichfaserverstärkten Verbundwerkstoffen hervorragende mechanischen Materialeigenschaften wie z.B. eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig großer Duktilität. Die gute Verarbeitbarkeit von LFT im Spritzgießprozess und die Verwendung von kostengünstigen Ausgangsmaterialien wie Polypropylen für die Matrix und Glasfasern zur Verstärkung machen LFT zu einem effizienten Material für industrielle Anwendungen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein spritzgegossenes langglasfaser verstärktes Polypropylen hinsichtlich des mikrostrukturellen Aufbaus und der mechanischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Lastpfaden und Spannungszuständen untersucht. ... mehrMechanische anisotrope, dehnraten- und temperaturabhängige Kenngrößen werden identifiziert, indem experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Prüfkörpern durchgeführt werden. Es lassen sich Korrelationen zur lokalen Mikrostruktur analysieren, die auf den Fasergehalt und die Faserorientierungsverteilung zurückzuführen sind. Es wird ein kontinuumsmechanisches Werkstoffmodell für die strukturmechanische Simulation entwickelt, das lokale Faserorientierungsverteilungen und Faservolumenkonzentrationen berücksichtigt. Dieses makroskopische Materialmodell basiert auf analytischen Homogenisierungsmethoden, das zur recheneffizienten Anwendung an sinnvoller Stelle durch phänomenologische Formulierungen erweitert wird. Im Modell werden sowohl die lokalen Inhomogenitäten, als auch die dehnratenabhängigen Werkstoffeigenschaften bis zum Versagen berücksichtigt. Eine zuverlässige Vorhersage der ortsabhängigen Faserorientierungen ist eine notwendige Voraussetzung und wird mit Hilfe von Spritzgusssimulationen berechnet, was nicht Teil dieser Arbeit ist. Durch die kombinierte Simulation von Formfüllprozess und Bauteilcrash auf Basis der Faserorientierungsverteilung und dem Fasergehalt können lokale Inhomogenitäten in der strukturmechanischen Simulation berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass das in dieser Arbeit entwickelte Materialmodell zu einer verbesserten Crashbewertung von LFT-Bauteilen in der numerischen Simulation führt, indem am Beispiel einer industriellen Komponente die gesamte Prozesskette von der Spritzgusssimulation bis zur Crashsimulation virtuell abgebildet wird.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse von Schädigungsmechanismen auf der Mikroskala mit Hilfe numerischer Zellmodelle. Eine Berücksichtigung festerer Materialeigenschaften im Faserbett (Interphase), infolge von Haftvermittlern, erweist sich hierbei als notwendig um die Schubkraftübertragung zwischen Faser und Matrix korrekt abzubilden. Es lassen sich sowohl die lokalen Kraftübertragungsmechanismen zwischen Faser und Matrix detailliert darstellen, als auch tendenzielle Aussagen über werkstoffspezifische Kenngrößen wie Fasergehalt und Aspektverhältnis gegenüber dem makroskopischem Schädigungs- und Versagensverhalten von LFT analysieren. Hierbei verdeutlichen z.B. die Auswertungen der Bruchenergien die notwendige Optimierungsaufgabe im Beispiel eines anforderungsorientierten Werkstoffdesigns hinsichtlich Crash- oder Impaktbelastungen.

The great advantages of long fiber reinforced thermoplastics (LFT) compared to short and infinite fiber reinforced composites are excellent material properties, e.g. high strength and toughness, in conjunction with processability, e.g. by injection molding. By using low cost ingredients for the matrix such as polypropylene and glass fibers as reinforcements, LFT becomes an efficient material for industrial applications.

In the present work an injection molded long glass fiber reinforced polypropylene is examined. Tests are performed with regard to its micro structure and its macroscopic mechanical properties. ... mehrAnisotropic, strain-rate and temperature dependent mechanical parameters are identified by carrying out experimental investigations on different specimen types to analyze varying loading paths and stress states. Correlations to the local micro structure can be identified, in particular local variations in the fiber content and the fiber orientation distribution. A continuum mechanic material model for structural finite element simulation is developed taking into account local fiber orientation distributions and fiber volume fraction. This macroscopic material model is based on analytical homogenization methods and is being extended by phenomenological formulations for an efficient use in an explicit finite element simulation. The model takes into account the local inhomogeneities and the strain rate dependent material properties up to failure. A reliable prediction of the local varying fiber orientations and fiber contents are a necessary prerequisite. These data are provided from numerical mold filling simulations which is not part of this work. It is shown that the material model developed in this study leads to an improved crash analysis of LFT components by simulating the entire process chain from an injection molding simulation to a crash simulation.

A further focus of this work is the analysis of damage mechanisms on the micro scale using numerical unit cell models. A so called interphase around the fibers resulting from bonding agents for this high resolution micro mechanical model is considered in order to simulate a correct force transmission between fiber and matrix. Local interacting mechanisms between fiber and matrix are presented and analyzed in detail. Furthermore, the influence of specific material parameters such as fiber content and fiber aspect ratio towards to the macroscopic damage and failure behavior of LFT will be examined. Tendencies of particular material damage parameters, e.g fracture energy, illustrate the necessity of an optimization task for a requirement oriented material design with regard to crash or impact loads.