Eine Übersicht zur experimentellen Charakterisierung von Kunststoffen für die Crashsimulation

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1 Eine Übersicht zur experimentellen Charakterisierung von Kunststoffen für die Crashsimulation Dynamore Infotag Simulation von Kunststoffen mit LS-DYNA, Stuttgart 2012 Stefan Kolling 1, Sebastian Mönnich 2 1 Institut für Mechanik und Materialforschung, TH Mittelhessen, Gießen 2 Fraunhofer LBF, Bereich Kunststoffe, Darmstadt

2 Inhalt Was zu tun ist: Validierung / Verifizierung Methoden zur dynamischen Charakterisierung Fallturm oder Schnellzerreißer? Optische Verzerrungsmessung (2D oder 3D?) Tests unter mehrachsiger Beanspruchung 4a Impetus die schnelle Methode zur Materialkarte Was tun bei Ansiotropie? Zusammenfassung 2

3 Inhalt Was zu tun ist: Validierung / Verifizierung Methoden zur dynamischen Charakterisierung Fallturm oder Schnellzerreißer? Optische Verzerrungsmessung (2D oder 3D?) Tests unter mehrachsiger Beanspruchung 4a Impetus die schnelle Methode zur Materialkarte Was tun bei Ansiotropie? Zusammenfassung 3

4 Validierung und Verifizierung Identification of the characteristic material behaviour Choice of an appropriate law or implementation resp. Verification of the material law Calibration of the verified model due to material parameter Validation by component tests 4

5 Verhalten unter Mehrachsiger Beanspruchung Kunststoffe: Eine Herausforderung an die Versuchstechnik t s Zug von Mises vm Schub Schub t biaxialer Zug Zug Druck s t c biaxialer Zug 1 3 Druck t 0 p c 5

6 Inhalt Was zu tun ist: Validierung / Verifizierung Methoden zur dynamischen Charakterisierung Fallturm oder Schnellzerreißer? Optische Verzerrungsmessung (2D oder 3D?) Tests unter mehrachsiger Beanspruchung 4a Impetus die schnelle Methode zur Materialkarte Was tun bei Ansiotropie? Zusammenfassung 6

7 Prüfmaschinen für dynamische Tests Servohydraulische Hochgeschwindigkeits- Prüfmaschine Zwick HTM5020 F max = 50 kn, v max = 20 m/s, l max = 50 mm. 7

8 Prüfmaschinen für dynamische Tests Fallturm Instron CEAST 9350 m = 5.5 kg 70 kg v = 1 m/s 24 m/s Temperierkammer -70 C bis +150 C 8

9 Versuchstechnik (Prinzip) 9

10 Spannungsberechnung 17

11 Dehnratenkonstante Spannung-Dehnungskurven Geschwindigkeit der Prüfmaschinen bei hohen Geschwindigkeiten nicht regelbar. Aufgrund plastischer Deformation mit Lokalisierung muss für konstante Dehnraten die Prüfgeschwindigkeit ansteigen. Fazit: Dehnratenkonstante Spannungs-Dehnungskurven müssen über einem Modellansatz berechnet werden. 18

12 wahre Spannung in N/mm² Dehnratenkonstante Spannung-Dehnungskurven Johnson-Cook Ansatz 400 Spannungs-Dehnungs-Verlauf "Zug PA6GF60 kond. längs" /s 100 1/s /s 1 1/s 0,1 1/s 0,01 1/s 0,001 1/s ,00 0,03 0,05 0,08 0,10 wahre Dehnung 19

13 Druckversuche beidseitig - Würfel Getrennte Auswertung von Front und Seite. Abbildungsfehler werden korrigiert. Reibungseinflüsse: Reibung Reibung minimiert 20

14 Schubversuche Geometrie unverformt verformt 21

15 Vergleichsspannung vs. Vergleichsdehnung 22

16 4a Impetus die schnelle Methode zur Materialkarte Pendel Schlagwerk mit Einfachpendel Dehnratenvariation durch Pendelgeschwindigkeit Auflagerabstand Geschwindigkeitsbereich: m/s Energieeintrag durch Zusatzmassen 5/50/200/400g Beschleunigungssensoren Messung von Winkel über Winkelsensor Beschleunigung am Pendelkopf Beschleunigung am Widerlager 23

17 Parameteridentifikation via LS-OPT 6-Parameter-Ansatz zur Beschreibung der Spannungs-Dehnungs- Beziehung, modifizierter Schmachtenberg + Johnson-Cook p p p y p H E E E E 1 1 ) ( 0 0 ln 1 ) ( p p c 0 2 ln ), ( p p p p p y p p p H E E E 6 Parameter 24

18 Optimierung via LS-OPT (Hostacom) Versuchskurven (gepunktet) Optimierungsergebnis (durchgezogen) 25

19 Weitere Verifizierungsmöglichkeit (3D) 26

20 Spannung [MPa] Optimierte --Kurven (Hostacom) Giessen 1 1/s Giessen 10 1/s Giessen 100 1/s Dehnung [%] 27

21 Spannung [MPa] Verbesserung der Ergebnisse durch q.s.-tests ohne q.s. Versuche a 0 1/s 4a 0.1 mit 1/s q.s. Versuche 4a 1 1/s 4a 10 1/s 4a 100 1/s Giessen 1 1/s Giessen 10 1/s Giessen 100 1/s Dehnung [%] 28

22 Spannung bei 10% Dehnung [MPa] Vergleich mit Zug-Druck-Versuchen FAT Zug FAT Druck DKI Biegung statisch Impetus Biegung dynamisch Dehnrate [1/s] 29

23 Validierung am Bauteilversuch 30

24 F [kn] Validierung am Bauteilversuch 14 Hostacom Boden 12 Versuch Simulation Druckpunkt DL [mm] 31

25 F [kn] Validierung am Bauteilversuch 16 Hostacom Rippen 14 Versuch Simulation Druckpunkt DL [mm] 32

26 Inhalt Was zu tun ist: Validierung / Verifizierung Methoden zur dynamischen Charakterisierung Fallturm oder Schnellzerreißer? Optische Verzerrungsmessung (2D oder 3D?) Tests unter mehrachsiger Beanspruchung 4a Impetus die schnelle Methode zur Materialkarte Was tun bei Ansiotropie? Zusammenfassung 33

27 Einfluss der Faserorientierung 34

28 Dehnungsverteilung während des Zugversuchs Längsdehnung, Probe 0 zur Spritzgussrichtung 35

29 Dehnungsverteilung während des Zugversuchs Längsdehnung, Probe 90 zur Spritzgussrichtung 37

30 Dehnungsverteilung während des Zugversuchs Längsdehnung, Probe 45 zur Spritzgussrichtung 38

31 Einfluss der Faserorientierung Faserverstärkte Kunststoff zeigen aufgrund der Mikrostruktur ein stark inhomogenes Deformationsfeld Diese Effekte sind nur mit mikromechanischen Modellen abbildbar! Hierzu ist die Faserorientierung in jedem Punkt des Bauteils zu kennen (Spritzgusssimulation)! Glasfaser Polymer 39

32 Fasererkennung via µ-ct Funktionsweise 40

33 µct Ergebnisse Einzelfaseranalyse Monte-Carlo-Faserekennungsalgorithmus 42

34 µct Ergebnisse Einzelfaseranalyse Mathematische Repräsentation jeder Einzelfaser Startposition, Richtungsvektor n k, Länge, Radius Berechnung des Orientierungsverteilungstensors Basis für die Validierung von Spritzgusssimulationen Startwert für eine phänomenologische Berechnung ohne Spritzgusssimulationen Berechnung der Faserlängenverteilung Nicht in Spritzgusssimulationen abbildbar! 43

35 µct Ergebnisse Bericht 44

36 Zusammenfassung und Ausblick 1/2 Hochgeschwindigkeitsversuche (servohydraulisch / Fallturm): Lokale Messung (GOM ARAMIS 2D/3D) Uniaxialer Zug sowie Schub bis best. Dehnungsbereich Druck zur Zeit im Test (Split-Hopkinson Bar) 4a Impetus Schnelle und qualitativ gute Materialkartengenerierung (Biegung) Als Validierungstests für Hochgeschwindigkeitsversuche Mehrachsigkeit Lokale Messung (GOM ARAMIS 2D/3D) Schub / Druck mittlerweile Standard Biaxiale Testvorrichtung in Planung 45

37 Zusammenfassung und Ausblick 2/2 Anisotropie Tests unter verschiedenen Entnahmewinkel 3D Dehnungsauswertung Validierung der Faserorientierung über µct und spezielle Software am Fraunhofer LBF verfügbar Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 46

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