Einfluss der Materialmodellierung von thermoplastischen Kunststoffen auf Ergebnisse von numerischen Falltests

Transkript

1 Einfluss der Materialmodellierung von thermoplastischen Kunststoffen auf Ergebnisse von numerischen Falltests Torsten Hensel - Andreas Wüst - Stefan Glaser dynamore Infotag Falltests

2 Contents Motivation Was ist das besondere an einer Falltestsimulation? Erfahrungen aus der Praxis Fallstricke Materialverhalten von Kunststoffen BASF ULTRASIM Faserorientierung Dehnratenabhängigkeit Asymmetrie in Zug-Druck Anisotropie Versagensmodellierung Ausgewählte Beispiele Diskussion dynamore Infotag Falltests

3 BASF and CAE? BASF The Chemical Company BASF Plastics BU Engineering Plastics Thermoplastic Materials + Customer Support: Application Development Services Material Modelling Mechanical Analyses Filling Analyses dynamore Infotag Falltests

4 Motivation Was ist das besondere an einer Falltestsimulation? Kinematisch anspruchsvoll Kontaktabbildung, Postprocessing Simplifikationen sind erschwert! Verbindungsmodellierung (Schrauben, Kleben, ) Abbildung von Material und Versagen ist eine zentrale Aufgabe Nichtlinearitäten, Anisotropie, Lokale Größen dominieren Netzfeinheit und Netzgüte Resultat Absenkung Steifigkeit globale Größe Resultat Versagen Failure-Wert lokale Größe dynamore Infotag Falltests

5 Vereinfachung Schraube Schraube ist geometrisch nicht vorhanden! Probleme: - Krafteinleitung - was passiert nach dem Versagen? dynamore Infotag Falltests

6 Vereinfachung Schraube vereinfacht geometrisch korrekt Gefahr: Bifurkation durch nichtphysikalisches Verhalten Lösung schlägt einen anderen Pfad ein! dynamore Infotag Falltests

7 Galton Brett Pfadabhängigkeit Bifurkation (Gabelung) p 1 2 p 1 2 dynamore Infotag Falltests

8 Netzeinfluss - Netzgüte Resultat Absenkung Steifigkeit globale Größe Resultat Versagen Failure-Wert lokale Größe - Numerischer Einfluss schlechter Elemente kann dominieren - Solidelemente Netzchecks im Inneren beachten! dynamore Infotag Falltests

9 Netzeinfluss - Netzfeinheit Schale unter Biegung Shell-Element Node Node Solid-Element Integration Point dynamore Infotag Falltests

10 Netzfeinheit Finite Element approximation Linear Interpolation 1-dimensional 1 DOF 3 DOFs approximation e.g. displacement exakt approximation exakt Shape function derivative e.g. stress,failure,strain dynamore Infotag Falltests

11 Integrative Simulation ULTRASIM for short fiber reinforced thermoplastics Process Measurement Material Anisotropic Nonlinear Strain-rate sensitive Tensile-compression asymmetric Failure modelling Temperature dependent Part dynamore Infotag Falltests

12 Cross section PA GF30 Flow aligned fibres near tool walls 3 mm Perpendicular aligned fibres in middle layer Flow direction dynamore Infotag Falltests

13 Evolution of Fiber Orientation in Mould Filling Process Cross sectional view Shearing zone Flow direction Due to shearing in the boundary layers the fibers are oriented in flow direction dynamore Infotag Falltests

14 Evolution of Fiber Orientation in Mould Filling Process Upper view Stretch flow Fibers are being oriented in stretching direction dynamore Infotag Falltests

15 Evolution of Fiber Orientation in Mould Filling Process Transversal orientation in the core layers Longitudinal orientation in the boundary layers Gating Melt front Fountain flow Fibers are constantly transferred from the core layers to the boundary layers and thus redirected dynamore Infotag Falltests

16 Mechanical behaviour of anisotropic layered shells Flow direction Stiff in tension Flexible in tension Flexible in bending Stiff in bending dynamore Infotag Falltests

17 Motivation for Anisotropic Material Modelling Anisotropy due to fiber orientation longitudinal Secant mean Secant transversal secant tensile long. tensile transv. Stress in Part dynamore Infotag Falltests

18 Fiber reinforced Polymer, Stress-Strain Stress [MPa] influence: fiber orientation and hydrostatic stress state Compression Tension Tension Injection moulded plate Compression Strain [%] dynamore Infotag Falltests

19 dynamore Infotag Falltests Evolution of fiber orientation p p p γ p p γ p ω p r D 1 /d 1 /d ; 2 2 l l Jefferey 1922 p ṗ v x v γ sym Rate of deformation x v ω skew Vorticity

20 Orientation distribution function Orientation tensors a p p a 4 pd p p p p pd (Tucker 1987) Taylor expansion of ODF p dev a: devp p p 315 dev( a 4 ) :: dev 32 p p p p... dynamore Infotag Falltests

21 Homogenization of fibers and polymer Mean Field Theory σ E : ε σ 0 1 E 0 1 : ε 0 1 (Mori and Tanaka,Tandon and Weng) σ E ε E-Modul Homogenization E ε ε c E : B 1 c E : c B c Ι B ε 1 Ι 1 Ι,ω: E0 : E1 Ι Ι,ω : Eshelby Tensor dynamore Infotag Falltests

22 Material modelling for composite materials Micro Scale Macro Scale Homogenization: Orientation distribution function p Young's modulus dynamore Infotag Falltests

23 Integrative Simulation ULTRASIM Data flow structure Geometry, Boundary Cond. ABAQUS-Standard,LS-Dyna, PAM, RADIOSS, NASTRAN Finite Element Simulation MOLDFLOW anisotropic material model FIBER p homogenization of orientation homogenization of fibers and polymer Fillingsimulation Materialparameter Materialparameter Material model for fibers elastic brittle Material model for polymer elastic Elastic-plastic viscoplastic dynamore Infotag Falltests

24 Material Measurements Data Flow GOM - ARAMIS Deformation Gradient x F X Force(t) Software m/s 1-0.5m/s 3-0.1m/s m/s m/s m/s m/s x F X S 11 Force( t) A 0 Strain: Stress: E e 1 2 T ( F F G) 1 T 1 ( g F F 2 σ 1 T J FSF ) Stress KP2 [MPa] Strain [nom] dynamore Infotag Falltests

25 Average Fiber orientation and Failure variable dynamore Infotag Falltests

26 Penetration Experiment Fixed by axisymmetric die Main fiber direction Biaxial Stress punch dynamore Infotag Falltests

27 Simulation of penetration experiment Load [N] Failure with diagonal cracks Region of total collapse Start of crack lenghtwise Simulation Versuch displacement [mm] dynamore Infotag Falltests

28 Test Specimen for compression load Specimen is designed for controlled collapse Material: B3WG6 CR (PA6 GF30%) sliding barrier 60 mm 60 mm dynamore Infotag Falltests

29 Test-specimen under compression load Simulation and Experiment 60 mm dynamore Infotag Falltests

30 Illustrated Example Importance of Fiber Orientation Mechanical test set-up Lower leg shot on supported beam z v x y x Beam: Ultramid B3WG6 (PA6-GF30) Shell model ~ elements support support Impactor m 4.7kg dynamore Infotag Falltests

31 Illustrated Example Importance of Fiber Orientation Filling pattern and fiber orientation Filling calculation with MOLDFLOW Filling pattern Fiber orientation Case A Case B significant weld line! Case C dynamore Infotag Falltests

32 Detail of fiber orientation in weld line Case B weld line transversal - diagram longitudinal transversal longitudinal longitudinal Main stress direction in bending Specimen milled out of injection molded plate dynamore Infotag Falltests

33 Illustrated Example Importance of Fiber Orientation Results with v=11.2 m/s Case A Case A: Part without failure! Case B Case B: Failure! Case C Case C: Failure! dynamore Infotag Falltests

34 Illustrated Example Importance of Fiber Orientation Comparison of absorbed energy 1 E mv 2 2 Specific absorbed energy 260 % case A v=11.2m/s +101% case B +77% dynamore Infotag Falltests v=7.9m/s case C v=10.5m/s

35 Filling pattern and weld line Weld line Gate 2 Gate 1 dynamore Infotag Falltests

36 Fiber orientation dynamore Infotag Falltests

37 Symmetric bending dynamore Infotag Falltests

38 Failure in weld line - symmetric bending dynamore Infotag Falltests

39 Bending with offset dynamore Infotag Falltests

40 Complex Material behaviour dynamore Infotag Falltests

41 Force versus Displacement - Curve [N] Experiments Simulation [mm] dynamore Infotag Falltests

42 Zusammenfassung Simulation von Falltests stellt neue Herausforderungen Kinematik Kontakt Abbildung von Verbindungen Beispiel Schraube Materialverhalten ULTRASIM Versagen ULTRASIM Materialmodellierung mit BASF ULTRASIM Bindenahteinfluss bei faserverstärkten Kunststoffen Beispiele Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! dynamore Infotag Falltests