Die Auslegung von Kunststoffkomponenten im Automobilbau auf Langzeitbelastung erweist sich für den Berechnungsingenieur oft als anspruchsvoll. Gängige FEA-Programme verfügen zwar über eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialmodellen, die aber dennoch nur bedingt in der Lage sind, die stark nichtlineare Zeit-, Temperatur- und Lastabhängigkeit des mechanischen Werkstoffverhaltens der Kunststoffe ausreichend darzustellen. So werden bei der Auslegung von Kunststoffbauteilen häufig linear viskoelastische Materialmodelle oder sogar linear elastische Ansätze verwendet, die das komplexe Werkstoffverhalten der Kunststoffe nur bedingt abbilden können. Dies führt je nach Belastungs- oder Anwendungsfall zu teilweise unzureichenden Simulationsergebnissen und somit zum frühzeitigen Ausfall oder Überdimensionierung. Darüber hinaus sieht sich der Berechnungsingenieur mit dem Problem konfrontiert, dass er zum Zeitpunkt der Berechnung oftmals nur auf wenige zeit- und lastabhängige Werkstoffdaten zurückgreifen kann. In der Regel stehen ihm neben Kurzzeit- Spannungs-/Dehnungsdaten alleinig uniaxial gemessene Daten aus Kriechversuchen zur Verfügung, wie sie in Werkstoffdatenbanken für viele Kunststoffe abgelegt sind. Dieser Beitrag 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 zur dessen Kalibrierung. Basierend auf umfangreichen Untersuchungen der Last- und Temperaturabhängigkeit der viskoelastischen Größen, werden werkstoffgerechte Annahmen getroffen. Diese Annahmen ermöglichen es, dass das Materialmodell bereits anhand von uniaxialen Zugkriechdaten ausreichend kalibriert werden kann. Es kann somit mit den bereits vorliegenden Werkstoffdaten, die gegebenenfalls mit Kurzzeitzugkriechdaten ergänzt werden müssen, eine verbesserte Berechnung des temperatur- und lastabhängigen Langzeitverhaltens von Kunststoffkomponenten erzielt werden. Eine Validierung des Ansatzes wird an einem U-Träger und an einem Pedal durchgeführt.
The dimensioning of plastics parts in automotive engineering is often a difficult task for the engineer. FEA-tools used in practice usually can not sufficiently represent the highly nonlinear time, temperature and load dependency of the mechanical long term behaviour of plastics. Therefore, many of the influences on the mechanical properties of plastics can only be described partially within these FEA-tools. These circumstances lead to insufficient simulation results. This paper presents a method to model the mechanical behaviour of polymers over a wide time-, load and temperature-range by means of finite element analyses. The method includes a material model as well as a procedure to calibrate the material parameters of the material model. A special feature of this method is that the model is calibrated only by using creep data that are commonly 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, is complemented with some short term creep data. The simulation results are validated by creep experiments on two example parts.
Simulation des mechanischen Langzeitverhaltens von Kunststoffbauteilen
Simulation of the mechanical long term behaviour of plastics parts
2012
12 Seiten, 14 Bilder, 12 Quellen
Conference paper
German
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