Polymer fracture mechanics extended to large plastic deformation and mixed mode loading

Titel in Übersetzung: Bruchmechanik von Kunststoffen erweitert für plastische Deformation und Mixed Mode Lasten

Anja Gosch

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Analyse und Weiterentwicklung bruchmechanischer Ansätze für Kunststoffe wurde zum Fokus zahlreicher Forschungsarbeiten, sowohl im Bereich von theoretischen Ansätzen als auch bei der Entwicklung verbesserter Testmethoden. Vom heutigen Standpunkt aus, gibt es jedoch noch immer Bereiche in der Bruchmechanik von unverstärkten Kunststoffen, wie die elastisch plastische Bruchmechanik und sogenannte „Mixed Mode“ Belastungen, die wenig bis gar nicht untersucht wurden. Genau diese genannten Bereiche wurden in dieser Arbeit untersucht und weiterentwickelt, um sie bei Kunststoffen in Zukunft noch breiter anwenden zu können. Im Bereich der elastisch plastischen Bruchmechanik gibt es bereits verschiedene Prüfmethoden, welche auch bei Kunststoffen angewendet werden. Dennoch stellt sich die Ermittlung von adäquaten bruchmechanischen Kennwerten von Polymeren noch immer als schwierig heraus. In dieser Arbeit wurde deshalb die Anwendbarkeit verschiedener Testmethoden der elastisch plastischen Bruchmechanik in Kombination mit unterschiedlichen Methoden zur Minimierung der Messdatenstreuung für Kunststoffe überprüft. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die Geometrieabhängigkeit von elastisch plastischen Bruchparametern anhand einer Testmethode der „European Structural Integrity Society (ESIS TC 4)“ untersucht. Die ermittelten Initiierungsparameter zeigten eine Abhängigkeit von der Probekörpergröße, während keine Geometrieabhängigkeit der Risswachstumskurve festgestellt wurde. Zusätzlich wurden verschiedene Initiierungsparameter der untersuchten Geometrien mit physikalischen Vorgängen während des Rissinitiierung korreliert. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in Zukunft als Grundlage für die Simulation komplexer Bauteile herangezogen werden. Um ein größeres Verständnis für das Mixed Mode Materialverhalten von unverstärkten Kunststoffen zu schaffen, wurden in dieser Arbeit verschiedene Probekörpergeometrien und auch Testmethoden untersucht. So wurden Mixed Mode I/III Ermüdungsmessungen mit reiner Mode I Belastung verglichen. Es wurde eine verringerte Lebensdauer durch Mixed Mode I/III Belastung im Vergleich zu reiner Mode I Last festgestellt. Um die Vorhersagefähigkeit von Lebensdauermodellen zu erhöhen wurde ein äquivalenter Bruchparameter errechnet (equivalent stress intensity parameter Keq), welcher beide Riss Modi (Mode I und Mode III) miteinbezieht. Messeinflüsse wie Reibung und Verschleiß steigerten im Versuch die Prüfkörpertemperatur und konnten auch in einer anschließenden optischen Untersuchung detektiert werden. Zusätzlich wurden quasi-statische Messungen in Mode I und Mode III an dünnwandigen Proben durchgeführt. Durch die Erkenntnisse im Bereich „Mixed Mode“ Risswachstum von unverstärkten Kunststoffen ist es möglich, diese Belastungsart während der Bauteilauslegung zu berücksichtigen und somit die Berechnung von Lebensdauern zu verbessern. Die gefundenen Einflussfaktoren können in Zukunft bei diesen Belastungsfällen von Anfang an berücksichtigt werden. Zusätzlich dienen die gefundenen experimentellen Ansätze als Startpunkt für weitere Untersuchungen im Mode II Bereich.
Titel in ÜbersetzungBruchmechanik von Kunststoffen erweitert für plastische Deformation und Mixed Mode Lasten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Baldi, Francesco, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Pinter, Gerald, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Bruchmechanik an Kunststoffen
  • J-Integral
  • Mixed Mode

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