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Viscoelastic Modeling of Calving Processes at Antarctic Ice Shelves
(2017)
- In this thesis viscoelastic material models are established to investigate the nature of continuous calving processes at Antarctic ice shelves. Physics-based descriptions of calving require appropriate fracture criteria to separate icebergs from the remaining ice shelf. Hence, criteria of the stress, the strain, and the self-similarity criterion are considered within finite-element computations. Crucial parameters in the models to determine the position of calving are the accurate knowledge of the geometry, especially the freeboard height, while the material parameters mainly influence the time span between two successive calving events. The extension to nonlinear material models is necessary to properly analyze the internal forces also for large deformations that occur for longer times of the viscous ice flow.
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Beschreibung des orthotrop visko-elastoplastischen Verhaltens langglasfaserverstärkten Polypropylens - Versuchskonzept und FE-Simulation
(2009)
- Energieeffizientere Konstruktionen insbesondere in der Automobilindustrie und bei deren Zulieferern erfordern die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl und anderen metallischen Werkstoffen durch entsprechende Leichtbauvarianten aus Kunst- bzw. Verbundwerkstoffen. Dieser Trend setzt sich nach der erfolgreichen Einführung von Kunststoffbauteilen im Innenraum von Automobilen auch vermehrt bei sicherheitsrelevanten Konstruktionen z.B. im Motorraum durch. Um die hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien erfüllen zu können, werden überwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Da im Rahmen der Bauteilentwicklung der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) mittlerweile zum Stand der Technik gehört, müssen auch für Faserverbundwerkstoffe die entsprechenden Materialmodelle auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls weiter oder neu entwickelt werden. In dieser Arbeit wird ein Versuchs- und Auswertekonzept zur Bestimmung der mechanischen Materialkennwerte von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-LGF) vorgestellt und validiert. Es wird orthotrop visko-elasto-plastisches Materialverhalten des Verbundes angenommen. Zur Ermittlung der Datensätze für die FE-Simulation werden Zug- und Schubversuche bei fünf unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten von quasistatisch bis 10 m/s durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Grauwertkorrelationsanalyse berührungslos Dehnungsfelder auf der Oberfläche der Probekörper erfasst und später mit Kraft-Zeit-Daten zu Spannungs-Dehnungs-Kurven verrechnet. Das orthotrope Materialverhalten von PP-LGF wird berücksichtigt, indem sowohl Zugversuche an Probekörpern mit vorwiegend in Zugrichtung als auch an solchen mit überwiegend quer dazu orientierten Fasern ausgewertet werden. Die Dehnratenabhängigkeit des Materials wird über einen visko-elasto-plastischen Ansatz in 1D getrennt für zwei Zugbelastungsrichtungen mathematisch beschrieben und die Parameter über einen Least-Square-Fit unter Verwendung des Levenberg- Marquardt-Verfahrens bestimmt. Im Rahmen eines Vergleichs experimentell ermittelter Verschiebungs- und Dehnungsfelder einer gelochten Zugprobe mit den Ergebnissen einer korrespondierenden FE-Simulation wird ein orthotrop elasto-plastischer Simulationsansatz in 3D validiert. Dabei wird eine Formulierung nach HILL für orthotropes Fließen berücksichtigt. Am Ende der Arbeit wird gezeigt, inwieweit das erfolgreich validierte Modell auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden kann. Es wird deutlich, dass bei sehr komplexen Geometrien die Qualität der Simulationsergebnisse nicht nur vom verwendeten Materialmodell und der Güte der Materialparameter abhängt, sondern zunehmend von der Qualität einer der FEM vorgeschalteten Füllanalyse.
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Einfluss verschiedener Angussszenarien auf den Harzinjektionsprozess und dessen simulative Abbildung
(2014)
- Die Herstellung von hochleistungs Kunststoff Verbunden für Strukturbauteile erfolgt in der Automobilindustrie mittels Resin Transfer Molding (RTM), wobei die Kosten für die Bauteile sehr hoch sind. Die Kosten müssen durch Prozessoptimierungen deutlich reduziert werden, um eine breite Anwendung von faserverstärkten Kunststoff Verbunde zu ermöglichen. Prozesssimulationen spielen hierbei eine entscheidende Rolle, da zeitaufwendige und kostspielige Praxisversuche ersetzt werden können. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die Potentiale der simulativen Abbbildung des RTM-Prozesses untersucht. Basis der Simulationen bildete eine umfangreiche Materialparameterstudie bei der die Permeabilität, von für die Automobilindustrie relevanten Textilhalbzeugen im ungescherten und gescherten Zustand, untersucht wurde. Somit konnte der Einfluss von Drapierung bei der Fließsimulation evaluiert werden. Zudem wurde eine neue Methode zur Ermittlung der zeit-, vernetzungs- und temperaturabhängigen Viskositätsverläufe von hochreaktiven Harzsystemen entwickelt und angewendet. Die Fließsimulationsmethode wurde zunächst erfolgreich an einem ebenen Plattenwerkzeug validiert, um zu zeigen, dass die ermittelten Materialparameter korrekt bestimmt wurden. Zur Validierung der Simulation wurde ein komplexes Technologieträgerwerkzeug (TTW) entwickelt. Die Auslegung der Temperierung wurde mittels Temperiersimulationen unterstützt. Untersuchungen an markanten Kantenbereichen, wie sie bei Automobilbauteilen häufig auftreten, haben gezeigt, dass bei Kantenradien < 5 mm ein Voreilen des Harzsystem zu beachten ist. Zudem konnte mittels verschiedener Angussleisten, der Einfluss verschiedener Angussszenarien untersucht werden. Mit Hilfe von Sensoren im TTW wurden die Prozessdaten protokolliert und anschließend mit den Simulationen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die simulative Abbildung des Füllprozesses bei einem komplexen RTM-Werkzeug, trotz einer Vielzahl an Prozesseinflüssen, möglich ist. Die Abweichungen zwischen der Simulation und dem Versuch lagen teilweise unter 15 %. Die Belastbarkeit der ermittelten Permeabilitäts- und Viskositätswerte wurde dadurch nochmals bestätigt. Zudem zeigte sich, dass die Angussleistenlänge einen signifikanten Einfluss auf die Prozesszeit hat, wohingegen der Angussleistenquerschnitt eine untergeordnete Rolle spielt.
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Nichtlineare Versagensanalyse von dünnwandigen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen unter besonderer Berücksichtigung von out-of-plane Rovingwelligkeiten
(2014)
- Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden. In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden. Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht. Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.
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Nanoparticle-Filled Thermoplastics and Thermoplastic Elastomer: Structure-Property Relationships
(2012)
- The present work focuses on the structure-property relationships of particulate-filled thermoplastics and thermoplastic elastomer (TPE). In this work two thermoplastics and one TPE were used as polymer matrices, i.e. amorphous bisphenol-A polycarbonate (PC), semi-crystalline isotactic polypropylene (iPP), and a block copolymer poly(butylene terephthalate)-block-poly(tetramethylene glycol) TPE(PBT-PTMG). For PC, a selected type of various Aerosil® nano-SiO2 types was used as filler to improve the thermal and mechanical properties by maintaining the transparency of PC matrix. Different types of SiO2 and TiO2 nanoparticles with different surface polarity were used for iPP. The goal was to examine the influence of surface polarity and chemical nature of nanoparticles on the thermal, mechanical and morphological properties of iPP composites. For TPE(PBT-PTMG), three TiO2 particles were used, i.e. one grade with hydroxyl groups on the particle surface and the other two grades are surface-modified with metal and metal oxides, respectively. The influence of primary size and dispersion quality of TiO2 particles on the properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites were determined and discussed. All polymer composites were produced by direct melt blending in a twin-screw extruder via masterbatch technique. The dispersion of particles was examined by using scanning electron microscopy (SEM) and micro-computerized tomography (μCT). The thermal and crystalline properties of polymer composites were characterized by using thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). The mechanical and thermomechanical properties were determined by using mechanical tensile testing, compact tension and Charpy impact as well as dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA). The SEM results show that the unpolar-surface modified nanoparticles are better dispersed in polymer matrices as iPP than polar-surface nanoparticles, especially in case of using Aeroxide® TiO2 nanoparticles. The Aeroxide® TiO2 nanoparticles with a polar surface due to Ti-OH groups result in a very high degree of agglomeration in both iPP and TPE matrices because of strong van der Waals interactions among particles (hydrogen bonding). Compared to unmodified Aeroxide® TiO2 nanoparticles, the other grades of surface modified TiO2 particles are very homogenously dispersed in used iPP and TPE(PBT-PTMG). The incorporation of SiO2 nanoparticles into bisphenol-A PC significantly increases the mechanical properties of PC/SiO2 nanocomposites, particularly the resistance against environmental stress crazing (ESC). However, the transparency of PC/SiO2 nanocomposites decreases with increasing nanoparticle content and size due to a mismatch of infractive indices of PC and SiO2 particles. The different surface polarity of nanoparticles in iPP shows evident influence on properties of iPP composites. Among iPP/SiO2 nanocomposites, the nanocomposite containing SiO2 nanoparticles with a higher degree of hydrophobicity shows improved fracture and impact toughness compared to the other iPP/SiO2 composites. The TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites show much better thermal and mechanical properties than neat TPE(PBT-PTMG) due to strong chemical interactions between polymer matrix and TiO2 particles. In addition, better dispersion quality of TiO2 particles in used TPE(PBT-PTMG) leads to dramatically improved mechanical properties of TPE(PBT-PTMG)/TiO2 composites.
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Spritzgussbauteile aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen: Methoden der Charakterisierung und Modellierung zur nichtlinearen Simulation von statischen und crashrelevanten Lastfällen
(2011)
- Ausgelöst durch gestiegene Leichtbauanforderungen kommen im Automobilbau vermehrt Verbund- und Hybridbauweisen zum Einsatz. Verschiedene Materialien werden gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen einzelner Bauteile bzw. Baugruppen ausgewählt, um ihr Potential bezogen auf das Gewicht und die (mechanische) Funktionalität optimal auszuschöpfen. Hierbei kann auch bei Großserienanwendungen neben der klassischen Blechschalenbauweise der Einsatz von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen zielführend sein. Allerdings sind entwicklungsspezifische Besonderheiten zur funktionalen Absicherung bzw. Auslegung derartiger Konzepte zu bewältigen. Dabei sind sowohl die Anforderungen an die Steifigkeit und die (Betriebs-)Festigkeit als auch die Vorgaben an die passive Sicherheit maßgebend. Bauteile aus kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, stellen hier eine besondere Herausforderung dar. Das mechanische Verhalten ist von zahlreichen Faktoren wie lokal unterschiedlichen Faserorientierungen, viskosen Effekten und Umgebungseinflüssen abhängig. Um Zeit und Kosten zu sparen, ist im heutigen Produktentwicklungsprozess von Fahrzeugen bzw. bei der Auslegung der einzelnen Bauteile die Berechnung aller relevanten Lastfälle mittels numerischer Simulationen unumgänglich. Die Weiterentwicklung der Methoden und Modelle zur Simulation von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen sind in den letzten Jahren verstärkt durch verschiedene Forschungsprojekte vorangetrieben worden. Dabei spielt auch die einhergehende Charakterisierung der Werkstoffe eine tragende Rolle. Ziel dieser Arbeit ist, die verfügbaren Methoden zur Berechnung und Charakterisierung von Spritzgussbauteilen aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen aufzuzeigen, weiterzuentwickeln und anhand wissenschaftlicher Experimente zu validieren. Hierbei werden quasi-statische und crashrelevante Versuche mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt und analytisch weiterverarbeitet. Im Anschluss werden diese zum Aufbau ausgewählter Rechenmodelle eines expliziten FE-Solvers genutzt. Angewendet werden dabei sowohl rein phänomenologische als auch integrative mikromechanische Simulationsmethoden mit isotropen und anisotropen elasto-plastischen bzw. elasto-viskoplastischen Ansätzen.
