Beitrag zur Beschreibung des mechanischen Langzeitdeformationsverhaltens von thermoplastischen Kunststoffen

Abstract

Die Finite Elemente Analyse (FEA) hat sich in den letzten Jahren als Werkzeug für die Bauteilauslegung fest etabliert. Die Berechnung des Langzeitverhaltens von Kunststoffbauteilen stellt hierbei immer noch eine große Herausforderung dar. Gängige FEA-Programme verfügen zwar über eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialmodellen, die jedoch nur bedingt in der Lage sind, die stark nichtlineare Zeit-, Temperatur- und Lastabhängigkeit des mechanischen Werkstoffverhaltens der Kunststoffe in guter Näherung darzustellen. Darüber hinaus stehen für die Berechnung oftmals nur wenige Werkstoffdaten zur Verfügung. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, mit der das mechanische Werkstoffverhalten von Kunststoffen über einen weiten Last-, Temperatur- und Zeitbereich abgebildet werden kann. Die Methode beinhaltet eine Erweiterung eines linear viskoelastischen Materialmodells sowie die Auswertung und Aufbereitung der Messdaten zu dessen Kalibrierung. Basierend auf um-fangreichen Untersuchungen werden werkstoffgerechte Annahmen getroffen, die es ermöglichen, das Materialmodell bereits anhand von uniaxialen Zugkriechdaten ausreichend zu kalibrieren. Da diese Daten meist in Werkstoffdatenbanken hinterlegt sind, kann somit auf Basis dieser vorliegenden Daten, die gegebenenfalls durch Kurzzeitzugkriechdaten ergänzt werden müssen, eine verbesserte Berechnung des temperatur- und lastabhängigen Langzeitverhaltens von Kunststoffkomponenten erzielt werden.

In the past years the Finite Element Analysis (FEA) has established as a tool for the dimen-sioning of plastics parts. The simulation of the mechanical longterm behaviour with this tool is still a challenging task. Common FEA tools indeed offer a number of material models, but these models can not sufficiently represent the time, load and temperature dependency of the mechanical longterm behaviour of plastics. Furthermore, there are just few material data available in material databases to calibrate the material models. This thesis presents a method to simulate the mechanical longterm behaviour of polymers over a wide range of time, temperature and load. The method includes a modification of a linear viscoelastic model and a procedure for the model calibration. On the basis of extensive experiments assumptions are made, which enable a calibration of the model on the basis of uniaxial tensional creep data, which are most of the time available in material data bases. Therefore an improvement of the simulation of plastics components can be achieved on the basis of available material data which, if necessary, are complemented by some shortterm creep data.