Modellierung des viskoelastischen Materialverhaltens blasgeformter Kunststoffhohlkörper

Masterprojekt Maschinenbau - Schwerpunkt Virtuelle Produktentwicklung

KURZBESCHREIBUNG:

In der Struktursimulation extrusionsblasgeformter Kunststoffhohlkörper (Flaschen, Kanister, Kraftstofftanks, etc.) spielt die Modellierung des Materialverhaltens eine wesentliche Rolle. Schon im normalen Gebrauchsbereich können die Einflüsse von Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften oftmals nicht vernachlässigt werden. Dies hat Auswirkungen auf fast alle gängigen Produktprüfungen, vom Crash-Tests bei bis hin zu Kurzzeit-und Langzeitversuchen. Die Überlagerung von elastischen und (zeitabhängigen) viskosen Materialverhaltens wird im allgemeinen als Viskoelastizität bezeichnet. Somit erfordert das Werkstoffverhalten von Polymer-Werkstoffen oftmals eine Abkehr von einfachen linear elastischen Materialmodellen hin zu komplexeren nichtlinear viskoelastisch-plastischen Modellen. Die Kalibrierung dieser Modelle kann jedoch mitunter recht aufwendig sein und erfordert den Einsatz von reverse Engineering. Dabei werden mit Hilfe mathematischer Optimierungsalgorythmen die Materialparameter eines simulationsgestützten Werkstoffversuchs so lange angepasst, bis die Simulationsergebnisse hinreichend genau mit experimentellen Werkstoffversuchen übereinstimmen.  

In kommerziellen FEM-Programmsystemen wie  Simulia Abaqus sind linear viskoelastische Materialgesetze, wie z.B. das verallgemeinerte Maxwell-Modell, bereits standardmäßig implementiert. Einige FEM-Programmpakete verfügen sogar über Ansätze zur Modellierung des nichtlinear viskoelastischen Materialverhaltens. In Simulia Abaqus ist mit dem sogenannten Parallel-Rheological-Framework (PRF)  ein solches nichtlinear viskoelastisch-plastisches Materialgesetz standardmäßig implementiert. Außerdem besteht mit dem Softwarepaket Simulia Isight die Möglichkeit  Materialmodelle mithilfe von einer mathematischen Optimierung zu kalibrieren. Die dafür nötigen Materialversuche können an der Zugprüfmaschine der HBRS durchgeführt werden.

Im Rahmen eines dreisemestrigen Masterprojektes sollen Methoden entwickelt werden um nichtlinear viskoelastische Materialmodelle sowohl für Kurzzeitversuche, z.B. Top-Load Test unter Berücksichtigung der Belastungsgeschwindigkeit, als auch für Langzeitversuche, wie z.B. Kriechversuche, zu kalibrieren.  Die Modelle gilt es dann anhand realer Produktprüfung, an komplexen Bauteilgeometrieen zu verifizieren.  

In der Struktursimulation extrusionsblasgeformter Kunststoffhohlkörper (Flaschen, Kanister, Kraftstofftanks, etc.) spielt die Modellierung des Materialverhaltens eine wesentliche Rolle. Schon im normalen Gebrauchsbereich können die Einflüsse von Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften oftmals nicht vernachlässigt werden. Dies hat Auswirkungen auf fast alle gängigen Produktprüfungen, vom Crash-Tests bei bis hin zu Kurzzeit-und Langzeitversuchen. Die Überlagerung von elastischen und (zeitabhängigen) viskosen Materialverhaltens wird im allgemeinen als Viskoelastizität bezeichnet. Somit erfordert das Werkstoffverhalten von Polymer-Werkstoffen oftmals eine Abkehr von einfachen linear elastischen Materialmodellen hin zu komplexeren nichtlinear viskoelastisch-plastischen Modellen. Die Kalibrierung dieser Modelle kann jedoch mitunter recht aufwendig sein und erfordert den Einsatz von reverse Engineering. Dabei werden mit Hilfe mathematischer Optimierungsalgorythmen die Materialparameter eines simulationsgestützten Werkstoffversuchs so lange angepasst, bis die Simulationsergebnisse hinreichend genau mit experimentellen Werkstoffversuchen übereinstimmen.  

In kommerziellen FEM-Programmsystemen wie  Simulia Abaqus sind linear viskoelastische Materialgesetze, wie z.B. das verallgemeinerte Maxwell-Modell, bereits standardmäßig implementiert. Einige FEM-Programmpakete verfügen sogar über Ansätze zur Modellierung des nichtlinear viskoelastischen Materialverhaltens. In Simulia Abaqus ist mit dem sogenannten Parallel-Rheological-Framework (PRF)  ein solches nichtlinear viskoelastisch-plastisches Materialgesetz standardmäßig implementiert. Außerdem besteht mit dem Softwarepaket Simulia Isight die Möglichkeit  Materialmodelle mithilfe von einer mathematischen Optimierung zu kalibrieren. Die dafür nötigen Materialversuche können an der Zugprüfmaschine der HBRS durchgeführt werden.

Im Rahmen eines dreisemestrigen Masterprojektes sollen Methoden entwickelt werden um nichtlinear viskoelastische Materialmodelle sowohl für Kurzzeitversuche, z.B. Top-Load Test unter Berücksichtigung der Belastungsgeschwindigkeit, als auch für Langzeitversuche, wie z.B. Kriechversuche, zu kalibrieren. Die Modelle gilt es dann anhand realer Produktprüfung, an komplexen Bauteilgeometrieen zu verifizieren.  

Hierzu stehen eine Zugprüfmaschine, ein Kriechversuchsstand sowie ein optisches  Messsystem zur Verfügung.

PROJEKTPHASEN:

Masterprojekt 1: Einarbeitung in die lineare und nicht lineare Viskoelastizität sowie in die Grundlagen der mathematischen Optimierung.

Masterprojekt 2: Einarbeitung in die Struktursimulation und Optimierung mit den FEM-Programmpaketen Simulia Abaqus, Simulia Isight und Hyperworks. Durchführung der benötigten Werkstoffversuche.

Masterthesis: Kalibrierung nichtlinear viskoelastischer Materialgesetze zur Simulation des Kurz-und Langzeitverhaltens blasgeformter Kunststoffhohlkörper.

Anzahl Plätze: 1