Betriebsfestigkeitsanalysen und Lebensdauerberechnung
Der Einsatz von (faserverstärkten) Kunststoffen für Strukturbauteile bringt die Forderung von geeigneten virtuellen Auslegungsmethoden mit sich. Ein mögliches Konzept zur Lebensdauerberechnung ist das örtliche Spannungskonzept (Gradientenkonzept) und basiert grundsätzlich auf Methoden welche vor allem für metallische Werkstoffe bereits breite Anwendung finden und in kommerziellen Softwaretools umgesetzt sind. Damit können auf der Grundlage von FE - Spannungsergebnissen Betriebsfestigkeitsberechnungen durchgeführt werden, wofür jedoch eine entsprechende Datenbasis an Werkstoffkennwerten, unter Berücksichtigung lokaler Einflussgrößen notwendig ist. Relevante Einflussgrößen werden auf Prüfkörperebene „herunter gebrochen“ und analysiert. Durch die Entwicklung von Modellen kann in weiterer Folge von der am einfachen Probekörper ermittelten Wöhlerlinie, auf die lokale Bauteilwöhlerlinie umgerechnet werden. Diese Bauteilwöhlerlinien bilden wiederum die Grundlage für die eigentliche Lebensdauerberechnung.
Für die FE-Analyse von Bauteilen aus faserverstärkten Polymeren ist vor allem die Kenntnis von Faserorientierung und –verteilung ein wesentlicher Bestandteil, da die lokalen Werkstoffeigenschaften maßgeblich davon beeinflusst werden. Informationen über die Faserorientierung werden bei komplexen Bauteilen mit Erstarrungs- bzw. Füllsimulationen ermittelt und für die weiteren FE-Analysen als Input verwendet.
Basierend auf Erfahrungen die im Rahmen von diversen Forschungsprojekten erarbeitet wurden, steht zum einen für die betriebsfeste Dimensionierung von geometrisch komplexen Strukturbauteilen aus (faserverstärkten) Kunststoffen eine geschlossene Simulationskette, ausgehend von der Spritzgusssimulation, über die FE-Spannungsberechnung unter Berücksichtigung der Materialanisotropie bis hin zur Lebensdauerberechnung zur Verfügung. Zum anderen liegt entsprechendes Know-How hinsichtlich benötigter (quasistatischer und zyklischer) Materialkennwerte unter Berücksichtigung relevanter Einflussfaktoren wie Faserorientierung, Bindenähte, Spannungsgradient bzw. geometrische Kerben, Temperatur, kritischer Umgebungsmedien, Mittelspannungseinfluss etc. vor.
Projekte:
- Fatigue design methodology for automotive application of engineering plastics
- Berechnungsmodell für kurzfaserverstärkte Kunststoffbauteile mit Temperatur- und Umgebungsmedieneinfluss
- Advanced PartSim2: Advanced Simulation Methods for part and process development of complex injection moulded plastic parts tailored for SMEs