Beitrag zur mikromechanischen Berechnung kurzfaserverstärkter Kunststoffe - Deformation und Versagen

Abstract

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) hat sich in den letzten Jahren als Werkzeug für die Auslegung von Konstruktionsbauteilen, ebenso wie kurzfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe als Konstruktionswerkstoff, fest etabliert. Im Gegensatz zum weitverbreiteten Einsatz der FEM als Werkzeug, sowie der kurzfaserverstärkten Kunststoffe als Werkstoff, sind Methoden zur effizienten Berechnung der Deformation und des Versagens dieser Verbundwerkstoffe mittels FEM nicht ausreichend entwickelt. Im Rahmen der Arbeit wird dieser Gegensatz aufgegriffen. Es wird zunächst die prozessbedingt sich einstellende Mikrostruktur analysiert und Methoden zur analytischen Beschreibung vorgestellt. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung von zwei Ansätzen zur elastisch-plastischen Modellierung kurzfaserverstärkter Kunststoffe unter expliziter Berücksichtigung der vorliegenden Mikrostruktur. Neben der Berechnung des Deformationsverhaltens steht auch das Versagensverhalten im Fokus der Arbeit. Hierzu werden, aufbauend auf die Modellierungsansätze, zwei unterschiedliche Dimensionierungsstrategien entwickelt und exemplarisch angewendet. Die Arbeit steht im Gesamtkontext einer effizienten und verlässlichen, computergestützten Berechnung von kurzfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffen. Vor diesem Hintergrund wird der Aufwand zur Kalibrierung und Umsetzung der ausgewählten Modelle und Strategien in einem entsprechenden Bewertungsschema abschließend analysiert und ausgewertet.

In recent years the Finite-Element-Method (FEM) has been established as a common tool for the dimensioning of structural parts. Also, short fiber reinforced thermoplastics have been established as structural materials. However, the development of methods for the efficient computation of the deformation and failure behavior of these composite materials is insufficient and in conflict to the common use of short fiber reinforced thermoplastics as a structural material and of FEM as an engineering tool. In the presented contribution this contrast is in focus of the considerations. The process related microstructure is analyzed and existing methods for the analytical description are presented. Based on this, two approaches for the elastic-plastic modeling of short fiber reinforced thermoplastics are developed by explicitly taking into account the existing microstructure. Besides the computation of deformation behavior, the computation of failure is of special interest. Therefore, two different dimensioning strategies are presented and are exemplarily applied to structural parts. The contribution is seen in the context of developing an efficient and reliable, computational method for the simulation of short fiber reinforced thermoplastics. Against this background the developed models and strategies are evaluated by taking into account the effort for calibration and application and the results are summarized in an evaluation scheme.