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Viskoelastizität und Kriechen bei Kunststoffen

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​Kunststoffe ersetzen in vielen Bereichen Werkstoffe wie Metalle oder Keramiken infolge effizienter Fertigungsmöglichkeiten und kostengünstiger Herstellungsprozesse. Oftmals ist eine rein linear-elastische Betrachtungsweise des Werkstoffverhaltens nicht ausreichend, da Faktoren wie Zeit oder Temperatur einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften besitzen. ANSYS Werkstoffmodelle ermöglichen eine präzise Beschreibung des Verhaltens von Kunststoffen im Sinne einer optimalen Bauteilauslegung.

ZIELGRUPPE

Das Seminar richtet sich an Projektleiter, Entscheider, Berechner und Konstrukteure, die im Rahmen Ihrer Aufgaben der Produktentwicklung von Kunststoffbauteilen deren inelastisches Werkstoffverhalten präziser beschreiben und für die Simulation berücksichtigen möchten.

IHR NUTZEN

​Nach einer kurzen Einführung in das physikalische Verhalten von Kunststoffen und deren Klassifikation, lernen Sie die Grundlagen der linearen Viskoelastizität mit praxisnahen Anwendungen sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. Die bei Kunststoffen üblicherweise stark ausgeprägte Temperaturabhängigkeit wird dabei berücksichtigt. Phänomenologische Kriechansätze für Kunststoffe werden ausführlich diskutiert. Ein besonderes Augenmerk kommt der Ermittlung der Materialparameter aus Versuchsdaten über ANSYS Curve-Fitting Routinen zu. Die Vermittlung des Fachwissens zur Steuerung nichtlinearer FE-Analysen von Kunststoffen ist ebenso integraler Bestandteil dieses Seminars.

Agenda

Tag 1

M1: Welche physikalischen Effekte charakterisieren Kunststoff?

  • ​Phänomenologie des Kunststoffverhaltens
  • Unterschied Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
  • Einfluss von Temperatur und Ratenabhängigkeit
  • Materialverhalten beim Glasübergang
  • Relaxation und Retardation
  • Übung: Skiclip - Vergleich linear-elastisch und viskoelastisch

M2: Lineare Viskoelastizität im Zeitbereich

  • ​Unterschied lineare Elastizität und lineare Viskoelastizität
  • Materialbeschreibung über Schub- und Kompressionsrelaxation
  • Pronyreihen-Darstellung mit Maxwell-Elementen
  • Zusammenhang zwischen zeitabhängigen Materialkonstanten
  • Übung: Spannungsrelaxation am Beispiel eines Schnapphakens
  • Übung: Vergleich der FEM Lösung mit der analytischer Berechnung

M3: Viskoelastische Parameter aus zeitabhängigen Experimenten

  • ​Versuchsdurchführung und Materialdatenbanken
  • Bestimmung der Prony Parameter in ANSYS
  • Empfehlungen für einen erfolgreichen Curve Fit
  • Übung: Curve Fit zur Parameterbestimmung in Mechanical APDL
  • Übung: Bestimmung der Pronyreihen-Parameter in ANSYS Engineering Data

M4: Lineare Viskoelastizität im Frequenzbereich

  • ​Bedeutung von Speichermodul, Verlustmodul und Verlustfaktor
  • Hysterese - Phasenverschiebung zwischen Anregung und Systemantwort
  • Pronyreihen-Darstellung im Frequenzbereich
  • Relation Frequenzbereich und Zeitbereich
  • Übung: Aufbereitung von Messdaten (DMA) und Parameterbestimmung in ANSYS
  • Übung: Harmonische Analyse eines Dämpfers mit frequenzabhängigen Materialparametern

Tag 2

M5: Frequenz und Temperatur sind dasselbe Phänomen

  • ​Modellierung von thermorheologisch einfachen Materialien
  • Definition der Masterkurve: Abbilden großer Relaxationszeitbereiche aus Kurzzeitversuchen
  • Shift-Funktion - Beziehung zwischen Relaxationszeit und Temperatur
  • Shift-Funktionen in ANSYS: Williams-Landel-Ferry (WLF) und Tool-Narayanaswamy (TN)
  • Übung: Bestimmung der Masterkurve und der WLF-Funktion aus experimentellen Daten
  • Übung: Veranschaulichen der Idee des Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzips im Zugversuch

M6: Kriechen von Kunststoffen

  • ​Dehnratenabhängiges Werkstoffverhalten unter monotoner Last
  • Kriechansätze für direkte und indirekte Zeitabhängigkeit
  • Berücksichtigen der Temperatur
  • Kurvenanpassung von Kriechversuchen
  • Übung: Curve Fit von experimentellen Kriechdaten
  • Übung: Einfluss von Kriechgesetz und nichtlinearer Analyseeinstellungen am Beispiel einer Schraubzwinge

M7: Zyklische Plastizität bei Kunststoffen

  • ​​Zyklisch plastisches Verhalten
  • Charakterisierung und Kalibrierung des plastischen Chaboche Modells
  • Lebensdauerbewertung bei nichtlinearer kinematischer Verfestigung
  • Übung: Lebensdauer von LAN Stecker unter zyklischer Beanspruchung

M8: Empfehlungen für die Auslegung von Kunststoffbauteilen

  • ​Dimensionierung gegen eine zulässige Spannung- oder kritische Grenzdehnung
  • Berücksichtigung der Temperatur, Alterung, Belastungsdauer durch Abminderungsfaktoren
  • Hysterese-Messverfahren und Schnellzerreißversuch
  • Bruchkriterien in Abhängigkeit von dem hydrostatischen Druck (parabolisch, konisch)

ERGÄNZENDE VERANSTALTUNGEN