In-plane- und out-of-plane Kriechen von Sheet-Molding-Compounds bei erhöhter Temperatur
- Die Verwendung von Sheet-Molding-Compounds (SMCs) unter dauerhaft wirkenden
statischen Lasten und erhöhten Temperaturen lässt die Frage nach der Materialkriechneigung
aufkommen. Während der Kriecheffekt bisher viel Aufmerksamkeit im thermoplastischen
Polymerbereich erhielt, zeigt diese Arbeit auf, dass auch duroplastische,
wirrfaserverstärkte Matrixsysteme von dem Phänomen in kritischen Größenordnungen
betroffen sein können. Es wurden Kriechuntersuchungen an einem glas- und einem
carbonfaserverstärkten SMC durchgeführt. Die Untersuchungen wurden bei einer
Temperatur von 120 °C durchgeführt, welche von einer möglichen Anwendung in einem
E-Motor herrührt. Die Charakterisierung des Kriechens in der Faserebene zeigte
die Schwierigkeit einer zuverlässigen Kriechversagensvorhersage bei der Beanspruchung
in der Faserebene auf. Kriechdehnungsverläufe zeigen deutliche Unterschiede
bei Beanspruchung auf Zug und Druck bei den vorgestellten Wirrfasermaterialien.
Gängige FE- (Finite Elemente) Anwendungen sind, wie Untersuchungen in dieser Arbeit
feststellen, über Standardverfahren nicht in der Lage, zuverlässige Kriechvorhersagen
von Faserkunststoffverbundbauteilen bei einer Mischbeanspruchung vorherzusagen.
Es wurden mögliche Implementierungsansätze für FE-Programme vorgeschlagen,
um eine beschriebene Kriechvorhersage zu bewerkstelligen.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass die isotrope Kriechmodellierung, welche in
gängigen FE-Programmen bereits implementiert ist, bei uniaxialem Spannungszustand
im eigentlich anisotropen SMC-Material verwendbar ist. Ein solcher uniaxialer
Spannungszustand mit relevantem Anwendungsszenario ist beispielsweise bei Verschraubungen
vorhanden. Die Druckbeanspruchung im Faserkunststoffverbundmaterial
durch die Schraubenvorspannkraft führt zu einem Kriechen in Dickenrichtung. Die
Charakterisierung des Kriechens in Dickenrichtung ermöglichte die zuverlässige Vorhersage,
der über die Zeit schwindenden Vorspannkraft von verschraubten SMC-Testplatten.
Vorteilhaft ist hier, für die künftige Auslegung von verschraubten SMC-Verbindungselementen,
dass die Kriechuntersuchungen für die verwendete Materialkarte in
der Simulation vergleichbar geringen Versuchsaufwand benötigen. Die Messung kann
in einer Universalprüfmaschine durchgeführt werden. Die Basis für die Kriechmessdaten
bildeten zwei Druckversuche an gestackten Coupons über einen Zeitraum von je
84 h.Die Extrapolation dieser Messdaten ermöglicht eine zuverlässige Schraubenkraftvorhersage für Zeiten von (mindestens) 1000 h. Die Kriechmessdaten
wurden mit dem Norton-Bailey-Kriechgesetz approximiert. Das Norton-Bailey-Kriechgesetz
ist standardmäßig in allen gängigen FE-Programmen verwendbar, was dem
Anwender eine einfache Berechnung ermöglicht.
- The use of Sheet-Molding-Compounds (SMCs) for continuously acting static loads at
elevated temperatures raises the question of the material creep tendency. While the
creep effect has received much attention in the field of thermoplastic polymers, this
study shows that thermoset, random fiber-reinforced matrix systems can also be affected
by the phenomenon in critical orders of magnitude. Creep investigations were
carried out on a glass fiber and a carbon fiber SMC. The investigations were carried
out at a temperature of 120 °C, which is the result of a possible application in an electric
motor. The characterization of creep in the fiber plane revealed the difficulty of a reliable
prediction of creep failure under stress in the fiber plane. Creep strain curves under
tensile and compressive stress show clear differences in the random fiber materials
presented. Common FE (Finite Element) applications are not able to predict reliable
creep predictions of composite components under mixed stress using standard methods,
as investigations in this paper have shown. Possible implementation approaches
for FE programs have been proposed to achieve a described creep prediction.
However, it was found that isotropic creep modeling, which is already implemented in
common FE programs, can be used for uniaxial stress conditions in the actually anisotropic
SMC material. Such a uniaxial stress state with relevant application scenario is
available, for example, for screw connections. The compressive stress in the composite
material caused by the bolt prestressing force leads to creep in the thickness direction.
The characterization of creep in the thickness direction enabled the reliable
prediction of the decreasing prestressing force of bolted SMC test plates over time.
The advantage here, for the future design of bolted SMC fasteners, is that the creep
tests for the material card used in the simulation require comparatively little effort. The
measurement can be carried out in a universal testing machine. The basis for the creep
measurement data were two compression tests on stacked coupons over a period of
84 h each. The extrapolation of these measured data enabled a reliable bolt force prediction
of (at least) 1000 h. The creep data was approximated with the Norton-Bailey
creep law. The Norton-Bailey creep law is a standard in all common FE programs,
which enables the user to perform easy computations.