An dieser Stelle sehen Sie anhand einiger Beispiele die konkrete Anwendung unseres professionellen Versuchs- und Auswertekonzeptes. Um dessen Bandbreite zu demonstrieren, wird es an einem Aluminiumdruckguß für Von-Mises-Elastoplastizität, an einem Thermoplast für Drucker-Prager-Elastoplastizität und an einem Elastomer für Viskoelastizität demonstriert. Die mechanischen Eigenschaften der Materialien unterscheiden sich sehr deutlich.
PBT im Automotive Engineering
Eines der jüngeren erfolgreich umgesetzten Prüf-und Auswertekonzepte wird für die Bestimmung von Materialkarten für Drucker-Prager-Plastizität angewendet. Um die deutliche Abhängigkeit des Materials von der Belastungsrichtung vollständig zu erfassen, werden zusätzlich zu Zugversuchen an gelochten Rechteckproben Druckversuche an (in diesem Fall ebenfalls gelochten) Druckzylindern durchgeführt.
- Zug- und Druckprobekörper mit Loch
- Ergebnis der optischen Messungen
- an Zug- und Druckprobekörper
Die Vielfarbenbilder zeigen auf der einen Seite die Vertikaldehnungen am Zugprobekörper - man erkennt hier deutlich die starken Lokalisierungseffekte seitlich vom Loch - und auf der anderen Seite den Verlauf der Dehnungen im Hauptachsensystem des Druckprobekörpers. In den folgenden Diagrammen sehen Sie die Verifikation des Simulationsmodells anhand des Vergleichs lokaler Verschiebungsgrößen auf dem Druckzylinder. Dabei werden alle 3 Raumrichtungen betrachtet, was eine absolute Innovation im Bereich der Validierung von Simulationen und zugehörigen Materialmodellen darstellt.
Aluminiumdruckguß für Getriebegehäuse
Zusammen mit der TU Kaiserslautern und der GM Powertrain GmbH wurden die Materialkennwerte für Elasto-Plastizität an 3 unterschiedlichen Probekörpergeometrien ermittelt. Es kamen dabei ein herkömmlicher Zugstab, ein gelochter Probekörper und ein seitlich gekerbter Probekörper zum Einsatz. Im folgenden ist ein gelochter, mit einem stochastischen Grauwertmuster versehene Probekörper dargestellt:
Um bei der späteren Materialdatenoptimierung sicher zwischen den rein elastischen und plastischen Anteilen der Deformation unterscheiden zu können, wurde ein Versuchsprogramm mit einer (elastischen) Entlastung gewählt (siehe Diagramm rechts). Es kam das unter Materialkennwerte beschriebene Mess- und Auswerteverfahren zur Anwendung. Alle durchgeführten Versuche, also alle drei Probekörperarten und alle Wiederholversuche wurden innerhalb einer Materialdatenoptimierung erfasst und berücksichtigt. Im folgenden animierten GIF sieht man in 20-facher Überhöhung einen Vergleich der gemessenen und simulierten Verschiebungen der einzelnen unterschiedlich belasteten Bereiche eines gelochten Probekörpers.
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Man erkennt deutlich die gute Übereinstimmung. Die bleibenden Verformungen werden an allen relevanten Stellen unterschiedlicher Spannungszustände sehr gut abgebildet. Dies wird noch deutlicher wenn man sich den Verschiebungs-Zeit-, sowie Kraft-Verschiebungs-Verlauf an 5 repräsentativen Knoten im Detailvergleich ansieht:
Elastomer in der Medizintechnik
Zusammen mit der ECP Entwicklungsgesellschaft mbH in Berlin wurde die Materialkarte für Viskoelastizität ermittelt. Dabei wurden neben den Kennwerten für die Grundelastizität die Parameter für das Kurzzeit- und Langzeitrelaxationsverhalten bestimmt. Es kam ein gelochter Rechteckprobekörper in zwei zeitlich unterschiedlich durchgeführten Versuchen zur Anwendung. Auf den folgenden Abbildungen sind der eingespannte Probekörper sowie die Kraft-Zeit-Verläufe der beiden Versuchsarten dargestellt:
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Schaut man sich die zugehörigen Verifikationen an, ist wiederum eine sehr gute Übereinstimmung der Verschiebungsverläufe an nahezu allen Stellen der Probekörperoberfläche gegeben. Eine separate Auswertung der Versuche für das Kurzzeit- und Langzeitverhalten macht eine noch bessere Anpassung möglich, sollte das eine bzw. andere Materialverhalten in der späteren Bauteilanwendung dominieren.
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Die mit dem ermittelten Datensatz (18 Materialparameter für das elastische und viskose Verhalten) durchgeführten FEM-Analysen zeigen deutlich, wie das viskoelastische Verhalten nun abgebildet werden kann. Es sind die logarithmischen Dehnungen, die von Mises-Spannungen und die hydrostatischen Spannungen jeweils beim Kraftmaximum (oben) und am Versuchsende (unten) dargestellt.
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