Charakterisierung des Materialverhaltens kurzfaserverstärkter Thermoplaste : Experimente & Materialmodellierung

Abstract

Der Einsatz leichter Verbundwerkstoffe mit optimierten Eigenschaften rückt in industriellen Anwendungen immer mehr in den Vordergrund. Die große Vielfalt an Kombinationen unterschiedlicher Polymere und Verstärkungsmaterialien bringt ein breites Spektrum an möglichen Materialeigenschaften mit sich. Diese Arbeit behandelt die Charakterisierung des Materialverhaltens eines glasfaserverstärkten Polybutylenterephthalats. Basierend auf einer vollständigen experimentellen Charakterisierung wird ein Modell der klassischen Plastizitätstheorie mit Schädigung zur Beschreibung des komplexen Materialverhaltens entwickelt. Um neben dem Verhalten der einzelnen Konstituenten und deren Zusammenspiel zudem die Richtungsabhängigkeit durch die Faserorientierung abzubilden wird eine neuartige Beschreibung mit einer Kopplung zweier Microsphere-Modelle entwickelt. Durch Vergleich des implementierten Modells mit den experimentellen Daten werden die Materialparameter identifiziert. Die Verifikation des entwickelten Materialmodells mit den identifizierten Materialparametern aus uniaxialen Messungen mit Proben unterschiedlicher Hauptfaserausrichtung erfolgt mithilfe eines dreidimensionalen Validierungsexperiments in Form eines Torsionsversuchs. Die Ergebnisse sind sowohl qualitativ als auch quantitativ sehr gut und zeigen, dass der angepasste Microsphere-Modellierungsansatz zur Beschreibung anisotropen Materialverhaltens kurzfaserverstärkter Verbundwerkstoffe genutzt werden kann.

The use of lightweight composite materials with optimised properties is becoming increasingly important in industrial applications. The large variety of combinations of different polymers and reinforcing materials results in a wide range of possible material properties. This thesis deals with the characterisation of the material behaviour of a glass fibre-reinforced polybutyleneterephthalate. Based on an extensive experimental characterisation a classical plasticity theory model with damage is developed to describe the complex material behaviour. In addition to the behaviour of the individual constituents and their interaction, a novel description is developed with a coupling of two microsphere models. The material parameters are identified by comparing the implemented model with the experimental data. The verification of the developed material model with the identified material parameters from uniaxial measurements with samples of different main fibre orientation is performed by means of a three-dimensional validation experiment in the form of a torsion test. The results are both qualitatively and quantitatively very good and show that the adapted microsphere modelling approach can be used very well to describe anisotropic material behaviour of short fibre-reinforced composites.