Experimente, Modellierung und Parameteridentifikation bei inhomogenen Verzerrungszuständen von Kunststoffen mit induzierter Anisotropie

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Zusammenfassung

Das Projekt behandelt die experimentelle Charakterisierung, Modellierung und Parameteridentifikation von Folien aus Polycarbonat (PC), die durch Kaltumformung eine sogenannte „Eigenverstärkung“ erhalten. Der ursprünglich isotrope Werkstoff erfährt dabei eine dehnungsinduzierte Anisotropie. Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit lassen sich also je nach gewünschter Belastungsrichtung gezielt einstellen, was auch beim Kaltumformen von Kunststoffen ausgenutzt wird. Das Ziel ist, die mechanischen dreidimensionalen Eigenschaften experimentell umfassend zu charakterisieren und auf dieser Basis ein eigenes Modell, welches die dehnungsinduzierte Anisotropie im Kaltumformvorgang beherrscht, zu verbessern. Die Grundkenntnisse zur Kaltumformung von Polymeren, z.B. bei der Herstellung gereckter und somit eigenverstärkter Flachfolien, werden somit durch das in diesem Projekt erlangte Wissen erweitert.

Der experimentelle Teil befasst sich mit der Erweiterung von Eigenentwicklungen in Dammann, Caylak, Mahnken (2014) für Zugstäbe und Folien aus PC. Mittels „sequentieller biaxial-Belastung“ erfolgt die Untersuchung zur induzierten Anisotropie. Mit Hilfe von optischer Messung werden die hochgradig inhomogenen Verzerrungsfelder ermittelt. Weitere Ziele sind die Untersuchung des lokalen Materialverhaltens und des kompressiblen Fließens. Hierzu zeigt der Vergleich zweier voneinander unabhängiger Methoden zur Ermittlung der Volumendehnung in Vorversuchen vielversprechende Ergebnisse. Wesentlich sind auch Untersuchungen zur Ver- und Entfestigung, da sich in Voruntersuchungen abgezeichnet hat, dass die global beobachtete Entfestigung sich lokal kaum noch wiederfindet. Die Charakterisierung findet für verschiedene globale Streckraten statt.

Die Materialmodellierung befasst sich mit der Erweiterung von Eigenentwicklungen zur dehnungsinduzierten Anisotropie in Mahnken, Dammann (2014). Dazu wird ein Strukturtensor, der sich mit der Belastung entwickelt, genutzt, um einen sogenannten Belastungswinkel zu bestimmen. Die Anisotropie wird mittels Wichtungsfunktionen in Abhängigkeit des Winkels beschrieben. Wesentliche Ziele des Projektes sind die Regularisierung mittels eines Gradiententerms, um Netzabhängigkeiten zu vermeiden und die Einführung einer volumetrischen Fließfunktion in das vorhandene Modell. Dazu fließen neue Erkenntnisse aus den Experimenten ein, die sich bereits in Voruntersuchungen angedeutet haben und sich so in bisherigen Modellen nicht wiederfinden. Abschließend findet eine Parameteridentifikation statt. Dazu werden außer „homogenisierten“ Spannungs- Streckungs-Kurven auch inhomogene Verschiebungsdaten verwendet, um den Regularisierungsparameter mit einer inversen Finite Elemente Methode zu identifizieren. Mit den erhaltenen Materialparametern werden Kaltumformprozesse, wie z.B. das Kaltrecken von Folien, simuliert.

 

abstract

The project deals with the experimental characterization, modeling and parameter identification of polycarbonate (PC) films which receive a so-called "self-reinforcement" by cold-forming (pre-stretching). In this way, the initially isotropic material experiences a strain-induced anisotropy. Thus, properties such as strength and ductility can be influenced depending on the desired loading direction, which is utilized during cold-forming of plastics. The main aim is a comprehensive experimental characterization of the three-dimensional mechanical properties and on this basis to improve an own developed model which can simulate strain-induced anisotropy during cold-forming. The basic knowledge on cold-forming polymers, for example during manufacturing of stretched and thus self-reinforced thin films, will be extended by results of this project.

The experimental part deals with the extension of own developments for induced anisotropy in Dammann, Caylak, Mahnken (2014) for tensile bars and films made of PC by means of "sequential biaxial loading". Optical measurements support the determination of highly inhomogeneous strainfields. Further objectives are to investigate the local material behavior and the compressible inelasticity. For this purpose, the comparison of two independent methods for the determination of the volume-strain in preliminary experiments shows promising results. Additionally, findings on hardening and softening are essential, as preliminary investigations indicate. Instead of the globally observed softening, locally this effect hardly occurs. Different global strain rates will be characterized.

The material modeling part is concerned with the extension of own developments on strain induced anisotropy in Mahnken, Dammann (2014). Therefore, a structure tensor which develops in dependence on the loading direction is used to represent the anisotropy by means of weighting functions in dependence of the current so-called loading angle. Furthermore, the project aims to introduce a regularization by gradients to avoid FE-mesh dependencies and to include a volumetric flow function into the existing model. In doing so, new information from the experiments, indicated by preliminary investigations and not known from the literature, is considered.

Finally, parameter identification is intended. In addition to "homogenized" stress-strain curves also the inhomogeneous displacement data are used for the identification of the regularization parameter by means of an inverse finite element method. With the obtained material parameters for the material model cold-forming processes, such as the cold stretching of films, are simulated.

 

Veröffentlichungen

 

Förderinstitution

DFG, GZ: MA 1979/27-1