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

Langfaserverstarkte Thermoplaste (LFT) bieten im Vergleich zu kurz- und unendlichfaserverstarkten Verbundwerkstoffen hervorragende mechanischen Materialeigenschaften wie z.B. eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig groser Duktilitat. Die gute Verarbeitbarkeit von LFT im Spritzgiesprozess und die Verwendung von kostengunstigen Ausgangsmaterialien wie Polypropylen fur die Matrix und Glasfasern zur Verstarkung machen LFT zu einem effizienten Material fur industrielle Anwendungen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein spritzgegossenes langglasfaser verstarktes Polypropylen hinsichtlich des mikrostrukturellen Aufbaus und der mechanischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Lastpfaden und Spannungszustanden untersucht. Mechanische anisotrope, dehnraten- und temperaturabhangige Kenngrosen werden identifiziert, indem experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Prufkorpern durchgefuhrt werden. Es lassen sich Korrelationen zur lokalen Mikrostruktur analysieren, die auf den Fasergehalt und die Faserorientierungsverteilung zuruckzufuhren sind. Es wird ein kontinuumsmechanisches Werkstoffmodell fur die strukturmechanische Simulation entwickelt, das lokale Faserorientierungsverteilungen und Faservolumenkonzentrationen berucksichtigt. Dieses makroskopische Materialmodell basiert auf analytischen Homogenisierungsmethoden, das zur recheneffizienten Anwendung an sinnvoller Stelle durch phanomenologische Formulierungen erweitert wird. Im Modell werden sowohl die lokalen Inhomogenitaten, als auch die dehnratenabhangigen Werkstoffeigenschaften bis zum Versagen berucksichtigt. Eine zuverlassige Vorhersage der ortsabhangigen Faserorientierungen ist eine notwendige Voraussetzung und wird mit Hilfe von Spritzgusssimulationen berechnet, was nicht Teil dieser Arbeit ist. Durch die kombinierte Simulation von Formfullprozess und Bauteilcrash auf Basis der Faserorientierungsverteilung und dem Fasergehalt konnen lokale Inhomogenitaten in der strukturmechanischen Simulation berucksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass das in dieser Arbeit entwickelte Materialmodell zu einer verbesserten Crashbewertung von LFT-Bauteilen in der numerischen Simulation fuhrt, 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 Schadigungsmechanismen auf der Mikroskala mit Hilfe numerischer Zellmodelle. Eine Berucksichtigung festerer Materialeigenschaften im Faserbett (Interphase), infolge von Haftvermittlern, erweist sich hierbei als notwendig um die Schubkraftubertragung zwischen Faser und Matrix korrekt abzubilden. Es lassen sich sowohl die lokalen Kraftubertragungsmechanismen zwischen Faser und Matrix detailliert darstellen, als auch tendenzielle Aussagen uber werkstoffspezifische Kenngrosen wie Fasergehalt und Aspektverhaltnis gegenuber dem makroskopischem Schadigungs- 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.