Multi-Scale Modelling of Process-Induced Residual Stresses and the Corresponding Damage in Fibre-Reinforced Semi-Crystalline Thermoplastics
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Beschreibung
Kurzfassung
Prozessinduzierte Eigenspannungen treten in praktisch allen Verbundstrukturen auf und bringen eine Vielzahl von Effekten mit sich. Die Berücksichtigung dieser Spannungen im Rahmen von Konstruktions- und Modellierungsaktivitäten ist folglich von zentraler Bedeutung, wenngleich sie oft unterschätzt oder gänzlich vernachlässigt wird, was teilweise auf den Mangel an ausgereiften und ganzheitlichen Vorhersagemodellen zurückzuführen ist. Aus diesem Grund wird in dieser Dissertation ein numerisches Mehrskalenmodellierungsgerüst entwickelt, welches mehrere miteinander interagierende Finite-Elemente-Modelle umfasst und somit detaillierte Vorhersagen bezüglich der Größenordnung und der Vorzeichen von prozessinduzierten Eigenspannungen in endlosfaserverstärkten teilkristallinen Thermoplasten sowie der daraus resultierenden Schädigung ermöglicht. Die Anwendbarkeit dieses neuartigen Modellierungsgerüsts wird anschließend anhand des Heißpressverfahrens als Referenzfertigungsprozess demonstriert. Basierend auf dynamischen Differenzkalorimetriemessungen hinsichtlich des Schmelzverhaltens und der Kristallisationskinetik des untersuchten kohlenstofffaserverstärkten niedrigschmelzenden Poly(Aryl Ether Keton) (CF/LM-PAEK) wird das dabei verwendete nicht-isotherme ratenabhängige Kristallisationsmodell abgeleitet. Darüber hinaus wird ein neuartiger inkrementeller Evolutionsalgorithmus zur Bestimmung des Relaxationsmoduls unter nicht-isothermen Bedingungen auf Basis des Zeit-Temperatur-Verschiebungsgesetzes implementiert. Die für ein exemplarisches [("0/90" )_"2" ]_"s" Kreuzlaminat gewonnenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen ähnliche Größenordnungen aufweisen, wodurch die Relevanz einer mehrskaligen Modellierungsstrategie unterstrichen wird. Des Weiteren zeigt diese Dissertation, dass die Berücksichtigung von viskoelastischem Materialverhalten, insbesondere des inhärenten Relaxationsphänomens, zu einer erheblichen Spannungsreduktion gegenüber elastischem Materialverhalten führt. Konkret sind die absoluten Eigenspannungswerte bei Letzterem etwa 2,5-mal höher als bei Ersterem. Ebenso lassen sich bei elastischem Materialverhalten eine frühere Schädigungsinitiierung sowie höhere Schadensvariablen am Ende des Heißpressverfahrens beobachten.
Autor*in
Jan-Lukas Stüven
Themen in »Multi-Scale Modelling of Process-Induced Residual Stresses and the Corresponding Damage in Fibre-Reinforced Semi-Crystalline Thermoplastics«
Faser-Kunststoff-Verbund Eigenspannung Schädigung Finite-Elemente-Methode Multi-Skalen-Modellierung