Experimentelle Untersuchung von Polypropylen-Schaum ... - am IFM
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<strong>Experimentelle</strong> <strong>Untersuchung</strong> <strong>von</strong> <strong>Polypropylen</strong>-<strong>Schaum</strong><br />
als Basis für die numerische Simulation<br />
Ulrich Huber, Martin Maier<br />
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH<br />
Erwin-Schrödinger-Str. 58<br />
67663 Kaiserslautern<br />
Germany<br />
15. September 2005/Huber Folie 1 / 15
Überblick<br />
‣ Materialprüfung<br />
‣ Zug-, Druck- und Schubversuche mit lokaler<br />
Deformationsmessung<br />
‣ Identifikation <strong>von</strong> Einflußpar<strong>am</strong>etern<br />
‣ Materialmodellierung<br />
‣ Modellierung in Abaqus: Möglichkeiten und Grenzen<br />
‣ Anforderungen an das Materialmodell<br />
‣ Zus<strong>am</strong>menfassung<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 2 / 15
Materialprüfung<br />
‣ einachsige Druckversuche<br />
‣ einachsige Zugversuche<br />
‣ Schubversuche<br />
‣ Hydrostatische Versuche<br />
‣ Relaxationsversuche<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 3 / 15
Optische Deformationsanalyse<br />
Globale und lokale Messung<br />
Spannung [MPa]<br />
Dehnung [-]<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 4 / 15
Optische Deformationsanalyse<br />
Lokalisation<br />
Dehnung strain [- [-]<br />
0,2<br />
0,18<br />
0,16<br />
0,14<br />
0,12<br />
0,1<br />
0,08<br />
0,06<br />
0,04<br />
0,02<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25<br />
Zeit [s]<br />
time [s]<br />
Local1<br />
Local2<br />
Local3<br />
Local4<br />
Local5<br />
Local6<br />
Local7<br />
Local8<br />
Local9<br />
Local10<br />
Local11<br />
Global<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 5 / 15
Einachsige Druckversuche<br />
(Dichtevariation)<br />
Dichte [g/l]<br />
E-Modul<br />
[MPa]<br />
Plateauspannung<br />
[MPa]<br />
Poissonzahl<br />
20 1,85 0,14 0,02<br />
40 6,39 0,34 0,02<br />
60 11,48 0,53 0,02<br />
80 18,42 0,89 0,04<br />
Kraft [N]<br />
Weg [mm]<br />
Deformationsgeschwindigkeit: 0,5 mm/s<br />
Temperatur: 23°C<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 6 / 15
Einachsige Druckversuche<br />
(Geschwindigkeitsvariation)<br />
Kraft [N]<br />
Weg [mm]<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 7 / 15
Einachsige Zugversuche<br />
(Dichtevariation)<br />
Dichte<br />
[g/l]<br />
E-Modul<br />
[MPa]<br />
Spannung<br />
[MPa]<br />
Poissonzahl<br />
20 1,89 0,21 0,45<br />
40 11,61 0,57 0,41<br />
60 20,78 0,84 0,32<br />
80 29,43 1,07 0,29<br />
Zugprobe<br />
Kraft [N]<br />
15. September 2005/Huber<br />
Weg [mm]<br />
Deformationsgeschwindigkeit: 0,5 mm/s<br />
Temperatur: 23°C<br />
erzwungene Expansion<br />
nach Druck<br />
Folie 8 / 15
Schnellzereißprüfung<br />
Konstruktion<br />
Prüfstand<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 9 / 15
Einachsige Zugversuche<br />
(Temperaturvariation)<br />
Kraft [N]<br />
Weg [mm]<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 10 / 15
Schubversuche<br />
(Temperatur-/ Geschwindigkeitsvariation)<br />
Schubmodul bei 20 g/l [MPa]<br />
Temperatur<br />
v test [mm/s] -20°C RT +80°C<br />
0.05 1.24 0.55 0.24<br />
0.5 1.62 0.62 0.28<br />
Schubspannung [Mpa]<br />
5 1.76 0.78 0.31<br />
Schubdehnung [-]<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 11 / 15
Hydrostatische Druckversuche<br />
1: Probe<br />
2: Probenhalter<br />
3: Prüfk<strong>am</strong>mer<br />
4: Deckel<br />
Druckk<strong>am</strong>mer<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 12 / 15
Hydrostatische Druckversuche<br />
- Probengröße 50 x 50 x 50 mm³<br />
- Unbehandelte Proben<br />
- Entspanntes Wasser<br />
- Wasseraufnahme durchschn. ca. 4,6 cm³ (Kein<br />
signifikanter Unterschied zwischen den Dichten)<br />
-> Eindringtiefe ca. 0,4 mm<br />
- Probleme mit Lufteinschlüssen<br />
-> bisher keine Messung möglich<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 13 / 15
Relaxationsprüfungen<br />
EPP: 80 g/l, 30% Kompression,<br />
Temperatur: 21°C<br />
Schrittmotor<br />
Proben<br />
Kraft [N]<br />
Relaxations Prüfstand<br />
Zeit [hh:mm:ss]<br />
‣ Definierte Deformation<br />
‣ Messung der Reaktionskraft als<br />
Zeitfunktion<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 14 / 15
Einflusspar<strong>am</strong>eter<br />
‣ Dichte<br />
‣ Temperatur<br />
Druckversuch:Unterschiedliche Dichten<br />
bei 5 mm/s Deformationsgeschwindigkeit<br />
Raumtemperatur<br />
‣ Dehnrate<br />
‣ Zeit<br />
Kraft [N]<br />
Weg [mm]<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 15 / 15
Methodische Materialmodellierung<br />
Experimental investigation<br />
Planning Application Evaluation<br />
Micro-mechanical<br />
simulation<br />
Properties of material and<br />
structure known<br />
Material modeling<br />
Analysis of<br />
material behavior<br />
Modeling and<br />
Implementation<br />
Definition of<br />
starting par<strong>am</strong>eter<br />
Iterative<br />
optimization<br />
Verification<br />
Simulation of<br />
component tests<br />
Evaluation and<br />
comparison<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 16 / 15
Materialmodellierung - Schäume<br />
‣ Materialmodell „Hyper fo<strong>am</strong>“ in<br />
ABAQUS ©<br />
‣ Kalibrierung durch Zug oder Druck<br />
und Schubverhalten des <strong>Schaum</strong>s<br />
‣ Par<strong>am</strong>eteridentifikation durch<br />
“Methode der kleinsten Quadrate”<br />
Simulation: Zug und Druckversuch<br />
Dichte: 20 g/l<br />
Deformationsgeschwindigkeit: 5 mm/s<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 17 / 15
Materialmodellierung<br />
Vergleich zwischen Versuch und Simulation<br />
Kraft Force [N]<br />
200<br />
180<br />
160<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
Experiment<br />
Simulation (Zugdaten)<br />
Kraft Force [N]<br />
6000<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
Experiment<br />
Simulation (Druckdaten)<br />
Simulation (Zugdaten)<br />
40<br />
20<br />
1000<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />
Weg [mm]<br />
Displacement [mm]<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50<br />
Displacement [mm]<br />
Weg [mm]<br />
Simulation eines Zugversuchs<br />
Simulation eines Druckversuchs<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 18 / 15
Anforderungen an ein<br />
Materialmodell für EPP-<strong>Schaum</strong><br />
Probleme mit ABAQUS „Hyperfo<strong>am</strong>“- Materialmodell<br />
Unterschiede zwischen Zug- und Druckverhalten nicht darstellbar<br />
Komplizierte Modellierung temperaturabhängiger Daten<br />
Kein Versagenskriterium im Zug- und Schubbereich<br />
Anforderungen<br />
Unterscheidung zwischen Zug- und Druckbereich<br />
Modellierung der Abhängigkeiten zwischen Temperatur, Zeit und<br />
Dehnrate<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 19 / 15
Zus<strong>am</strong>menfassung<br />
Es wurden Methoden zur experimentellen <strong>Untersuchung</strong> und<br />
Modellierung <strong>von</strong> EPP-Schäumen vorgestellt<br />
<strong>Experimentelle</strong> <strong>Untersuchung</strong> <strong>von</strong> EPP-<strong>Schaum</strong> bei Zug,<br />
Druck und Schub in Abhängigkeit <strong>von</strong> Temperatur,<br />
Dehnrate und Dichte des <strong>Schaum</strong>s<br />
Materialeigenschaften<br />
Simulation des <strong>Schaum</strong>s unter Verwendung<br />
vorhandener Materialmodelle<br />
Definition der Anforderungen an neue Materialmodelle<br />
15. September 2005/Huber<br />
Folie 20 / 15
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