Thermische Effekte in der Materialmodellierung von Polyamid 6 bei kurzzeitdynamischen Belastungsvorgängen

Abstract

Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen sind in der Regel stark temperaturabhängig. Bei der mechanischen Deformation von Kunststoffen können durch Energieumwandlungsprozesse bedingte thermische Effekte zu signifikanten Temperaturänderungen im Werkstoff führen. Diese Temperaturänderungen wiederum beeinflussen zu jedem Zeitpunkt das lokale Materialverhalten des Werkstoffs und können sich somit auf den gesamten Deformations- und Versagensprozess signifikant auswirken. Vor allem unter kurzzeitdynamischer Belastung ist wegen der nahezu adiabaten Bedingungen mit starken lokalen Temperaturerhöhungen im Werkstoff zu rechnen. Bei der strukturmechanischen Auslegung von kurzzeitdynamisch belasteten Kunststoffbauteilen werden thermische Effekte in der Regel nicht explizit berücksichtigt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zunächst die thermischen Effekte in Zug- und Schubversuchen an dem thermoplastischen Kunststoff Polyamid 6 (trocken) untersucht. Die umfangreichen Zugversuche deckten dabei den Temperaturbereich zwischen 25 °C und 120 °C und den Dehnratenbereich von 10 -4 1/s bis 10 2 1/s ab. Neben einer lokalen Dehnungsmessung mittels Grauwertkorrelation erfolgte bei der Mehrzahl der Versuche die Erfassung der Probenoberflächentemperatur durch eine Infrarotkamera. Zur Bewertung der Zug-Druck-Asymmetrie wurden ergänzend noch quasistatische Druckversuche ohne Infrarotkamera durchgeführt. Basierend auf den Erkenntnissen aus der experimentellen Werkstoffcharakterisierung wurde ein phänomenologisches temperatur- und druckabhängiges elastisch-viskoplastisches Materialmodell entwickelt und in Form einer Benutzerroutine (Vumat) in die Finite-Elemente Software Abaqus/Explicit implementiert und validiert. Hervorzuhebende Eigenschaften des Materialmodells sind, dass es auch die verstärkten Eigenschaftsänderungen von Polyamid 6 im Glasübergangsbereich beschreibt sowie den Einfluss der thermischen Effekte mittels Energiequellterme berücksichtigt.

The mechanical properties of plastics are generally highly dependent on temperature. During the mechanical deformation of plastics, thermal effects caused by energy conversion processes can induce significant local temperature changes in the material. These temperature changes in turn influence the local material behavior of the material at any time and can therefore have a significant effect on the entire deformation and failure process. Especially under short-term dynamic loading, strong local temperature increases are to be expected in the material due to the almost adiabatic conditions. Thermal effects are usually not explicitly taken into account in the structural mechanical design of plastic components subjected to short-term dynamic loading. In the present work, the influence of the thermal effects on the deformation behavior of polyamide-6 (dry) was first experimentally investigated in tensile and shear tests. The extensive tensile test program covered the temperature range between 25 °C and 120 °C and the strain rate range from 10 -4 1/s to 10 2 1/s. In addition to a local strain measurement by means of digital image correlation, temperature changes on the specimen surface were recorded in the majority of the tests using (highspeed) infrared thermovision. Additionally, some quasi-static compression tests were carried out without the use of the infrared thermovision to evaluate the compression-tension asymmetry. Based on the experimental findings, a phenomenological temperature- and pressure-dependent elastic-viscoplastic constitutive model was developed. Strain-rate sensitivity and temperature dependence of polyamide-6 in the vicinity of the glass transition temperature is also covered. The thermal effects are taken into account by introducing energy source terms. The constitutive model was implemented as an Abaqus/Explicit user subroutine (Vumat) for use with fully coupled thermo-mechanical explicit dynamic analyses.