Time-Dependent Characterization of Viscoelastic Materials

Titel in Übersetzung: Zeitabhängige Charakterisierung viskoelastischer Werkstoffe

Daniel Tscharnuter

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen hängen unter anderem von Zeit, Temperatur, Spannung und Dehnung ab. In einem kleinen Dehnungs- oder Lastbereich liegt lineares Verhalten vor und das mechanische Verhalten kann mit der Theorie der linearen Viskoelastizität beschrieben werden. Experimente zeigen, daß nichtlineares Verhalten bei thermoplastischen Kunststoffen bereits bei Dehnungen um 0,6 % auftreten kann. Abhängig von dem Lastverlauf kann es zusätzlich zu nichtlinearem Verhalten auch zu viskoplastischer Deformation kommen. Eine genaue Modellierung des mechanischen Verhaltens setzt daher das Verständnis der Viskoelastizität und der Viskoplastizität voraus. Vermutlich aufgrund der Komplexität des nichtlinear viskoelastisch-viskoplastischen Verhaltens wird trotz der stark eingeschränkten Gültigkeit oft lineare Viskoelastizität zur Beschreibung des zeitabhängigen Verhaltens angenommen. Eine häufig verwendete Formulierung ist die sogenannte Prony-Reihe, eine endliche Summe von Exponentialfunktionen, die auch als linear viskoelastisches Modell in kommerzielle Simulationssoftware integriert ist. Es wurde eine Methode zur Bestimmung der Modellparameter entwickelt, die auf allgemeine linear viskoelastische Lastverläufe anwendbar ist. Dabei wird ein allgemeiner Dehnungs- oder Spannungsverlauf durch kubische Splines abgebildet, für die ebenfalls eine analytische Lösung der Integralgleichung möglich ist. Die durchgeführten Versuche zeigten, daß linear viskoelastisches Verhalten nur sehr eingeschränkt angenommen werden kann. Es ist daher notwendig, auf ein nichtlinear viskoelastisches Modell zurückzugreifen. Für ein derartiges Modell ist die Anwendungsgrenze durch das Auftreten irreversibler Deformation gegeben. Um diese Grenze zu bestimmen, wurden verschiedene experimentelle Methoden angewendet. Ein experimenteller Aufbau für thermomechanische Messungen mit einer Thermokamera wurde entwickelt. Durch eine differentielle Messtechnik wird eine sehr gute Reproduzierbarkeit bei hoher Genauigkeit erreicht. Die reversible Wärme, die während eines Versuch frei oder absorbiert wird, wird thermodynamisch durch die Thermoelastizität beschrieben. Abweichungen von der vorhergesagten elastischen Wärme entsteht durch viskoelastische und viskoplastische Dissipation. Das Ziel der thermomechanischen Analyse ist es, die letztgenannten Beiträge zur Wärme zu bestimmen und daraus Informationen über deren Auftreten während der Deformation zu gewinnen. Weiters wurde das Aufweißverhalten während eines Zugversuchs untersucht. Durch spezielle Probenvorbereitung konnte die Messung des Aufweißverhaltens gleichzeitig mit der Messung des Dehnungsfeldes erfolgen. Das Aufweißen des Materials ist durch das Entstehen von Hohlräumen im Material bedingt, an denen einfallendes Licht gestreut wird. Durch Quantifizierung des Aufweißens in digitalen Bildern konnte die Initiierung von Hohlräumen detektiert werden. Im dritten Ansatz zur Untersuchung der Viskoplastizität wurde der Anteil plastischer Deformation durch Messung des Dehnungsrückgangs nach Entlastung bestimmt. Der Rückgang der Dehnung ist vollständig, solange die Deformation reversibel bleibt. Bei viskoplastischer Deformation erfolgt der Rückgang bis zur vorliegenden plastischen Dehnung. Mit diesen Methoden konnte gezeigt werden, daß irreversible Deformation bei uniaxialem Zug bereits unter 4% Dehnung auftritt. Die Daten dieser Messungen beinhalten neben der Information über die viskoplastische Dehnung auch die nichtlinear viskoelastische Zeitabhängigkeit. Es wurde daher die Eignung dieser Versuchsart für die Bestimmung eines nichtlinear viskoelastisch viskoplastischen Schapery-Modells untersucht. Die Gleichung, die dieses Modell beschreibt, wurde mit einem iterativen Verfahren gelöst und die Parameter durch ein least squares-Verfahren bestimmt.
Titel in ÜbersetzungZeitabhängige Charakterisierung viskoelastischer Werkstoffe
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pinter, Gerald, Beurteiler A (intern)
  • Rink, Marta, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2010

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Viskoelastizität
  • Viskoplastizität
  • Polypropylene

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