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Hallo zusammen,

ich habe eine Frage zur Modellierung eines PA mit 25 Glasfaseranteil. Mir liegen von diesem Werkstoff ein paar Zugversuchsdaten vor die ich jetzt in meiner Simulation als Materialdatensatz hinterlegen möchte. Wenn ich ehrlich bin habe ich aber bei Kunststoffen noch nicht den vollkommenen Durchblick und ich frage mich daher ob mein Vorgehen korrekt ist wenn ich die Zugversuchsdaten des PA genau wie die eines Stahls behandele. Damit meine ich eine Umrechung der technischen Spannungs- und Dehnungswerte in wahre Spannungen und wahre Dehnungen. Anschließend hinterlege ich beispielsweise diese Daten in Ansys in Form des E-Moduls, der Querkontraktionszahl und der plastischen Dehnungen über der wahren Spannung (Multilinear Isotropic Hardening). Das setzt aber vorraus, dass sich der PA genau verhält wie ein Stahl und somit ein linear elastischer Bereich existiert und bei einer Abweichung von der Hookeschen-Gerade Plastifizierung einsetzt. Ist diese Annahme korrekt?

Grüße und Danke für Eure Antworten
Kampf-Ameise

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PA GF25 zeigt faserbedingt anisotropes Materialverhalten, das darüber hinaus noch von Feuchtegehalt, Temperatur und Dehnrate abhängt. Auch spielt die Belastungsart eine Rolle (deutlich anderes mechanisches Verhalten unter Drucklast). Deine Zugkurven stehen nun nur für einen bestimmten Zustand, der zu Deiner Bauteilberechnung passen muss. Ein Problem bei den Zugkurven ist, dass sie häufig mittels spritzgegossener Probekörper ermittelt werden. Bei diesen sind die Glasfasern zu einem sehr hohen Prozentsatz in Lastrichtung ausgerichtet. Festigkeit und Steifigkeit des Materials werden also tendenziell überschätzt !
Die Approximation des Kunststoffs als weichen Stahl via elastisch-plastischem Materialgesetz ist eigentlich nicht mehr zeitgemäß, wird aber immer noch gerne eingesetzt da schnell und einfach. Wichtig ist, dass die oben beschriebenen Einflußgrößen berücksichtigt werden, z.B. über Abminderungsfaktoren. Persönlich würde ich ein elastisch-plastischem Materialgesetz nur zur Abschätzung von Steifigkeiten einsetzen. Genaue Aussagen zur Festigkeit sind m.E. nicht möglich.

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Hallo Goldstein,

das Einflüsse von Faserausrichtung beim Spritzen der Bauteile und des Feuchtegehltes existieren wusste ich, nur weiß ich nicht wie ich damit umgehen soll. Oder anders gefragt: Wie würdest Du an eine Festigkeitsfrage unter Beteiligung dieser Materialien vorgehen? Eigentlich müsste die Faserorientierung mittels einer Simulation des Spritzvorganges berechnet werden, aber dies ist wohl nicht "wirtschfatlich" bzw. für mich nicht durchführbar. Würdest Du sagen, dass ich dann lieber von einer strukturmechanischen Simulation eines Bauteiles aus PA GF25 ablassen sollte? Oder kann eine Simulation unter Abbildung eines PA GF25 als "weichen Stahl" zumindest eine Hausnummer oder Tendenz aufzeigen? Ist es dann ok die elastischen und plastischen Dehnungsanteile wie bei einem Stahl herauszurechnen?

Grüße und vielen Dank für Deine Antwort
Kampf-Ameise

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Sieh Dir das mal an (kap 8.1.3 Dimensionierung, Seite 181)

http://books.google.de/books?id=OlGXL0zZPrkC&printsec=frontcover&hl=de

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Hallo Ameise, Goldstein zählte schon alle Faktoren auf.

Bei PA GF 25 ist die Orientierung der Glasfaser auch von der Wanddicke abhängig. 

Bei dem Werkstoff und einer Dicke unter 1 mm ist das Bauteil durch die Faserorientierung so spröde, daß Du die Rechnerei lassen kannst.

Eine günstige Dicke wäre hier je nach Größe ca. 1,5 bis 2,5 mm.

Wenn das Bauteil 2 mm dick ist, nimm einfach den Mittelwert von längs und Quer, sonst wirst du nie fertig.

Wichtig bei Kunststoff und besonders bei GF ist noch die Ecken zu verrunden.

R 0,2 reicht aber.

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Klaus

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Guten Morgen zusammen,

@Goldstein: Vielen Dank. Ich schaue mir den Link gleich mal an

@N.Lesch: Auch Dir Danke. Ich habe allerdings nur einen E-Modul vorliegen. D.h. es sind natürlich schon zwei, aber einen für den konditionierten und einen für den trockenen Zustand, nicht für längs und quer. Das liegt wahrschienlich daran dass es sich in meinem Fall nicht um ein Gelege handelt sondern Kurzfasern, richtig?

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Der E-Modul, wie er von den Rohstoffherstellern zur Verfügung gestellt wird, stellt die Tangente an die SpannungsDehnungsKurve im Ursprung dar. Diese Kurve wiederum wird i.d.R. an spritzgegossenen, und daher hochgradig anisotropen Probekörpern ermittelt. Beide Tatsachen (Tangente im Ursprung und Faserausrichtung in Zugrichtung) führen dann am Ende zu unrealistisch hohen Steifigkeiten (E-Moduln), die für eine Berechnung direkt nicht eingesetzt werden sollten.

Zur rechnerischen Abschätzung empfehle ich folgende einfache Vorgehensweise: Zugversuchskurve besorgen (z.B. http://www.campusplastics.com/chart/displaympt/display/3/121216/2/0?sum=2) und Spannungswerte um 20% reduzieren (Ausgleich Anisotropie). Mal angenommen Dein Problem ist kraftgesteuert, dann sind die Bauteilspannungen in erster Näherung materialunabhängig (Spannung ist Kraft/Fläche) und Du solltest in der Lage sein ein mittleres Spannungsniveau im Bauteil zu identifizieren (gerne genommen v.Mises Spannungen). Mit dieser mittleren Spannung und der abgeminderten sig-eps-Kurve bestimmst Du Dir den Sekantenmodul, und diesen verwendest Du anschließend in der FE-Analyse.

Da Dich letztendlich die Festigkeit interessiert musst Du noch die berechnete Spannung mit einer zulässigen Spannung vergleichen. Letztere könnte man aus der abgeminderten sig-eps-Kurve ableiten. Fließspannung festlegen, Abminderungsfaktoren festlegen für Alterung, Feuchte, dyn.Belastung, UV, Dehnrate etc.pp. und Sicherheitsbeiwerte festlegen, daraus Sigma zulässig.............. Das übliche Programm eben.

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Hallo Goldstein,

danke für Deine Antwort. Wenn ich alles richtig verstanden habe rechnest Du rein linear-elastisch, richtig? Genau hier setzt meine Frage eigentlich an. Ich möchte elastisch-plastisch rechnen! Nach Möglichkeit möchte ich genau wissen welcher Anteil der Dehnungen elastisch und welcher Anteil plastisch.

Mir ist auch klar, dass der E-Modul beim PA mehr oder weniger nur im "Urpsrung" der Spannungs-Dehnungskurve Gültigkeit hat, da es keinen ausgeprägten linearen Bereich (wie beim Stahl) gibt. Was ich aber nicht weiß ist, ob der Werkstoff beim "Verlassen des E-Moduls" auch plastifiziert oder ob es sich immernoch um eine elastische Verformung (ähnlich bei einem hyperelastischen Material) handelt. Ich weiß also nicht ab wann genau Plastifizierung eintritt. Wenn es so sein sollte, dass mit dem "Verlassen des E-Moduls" Plastifizierung eintritt, dann müsste ich meine Spannungs-Dehnungs-Kurve in wahre Spannungen und Dehnungen umrechnen können und in der FE-Rechnung hinterlegen können und so meine plastischen und elastischen Dehnungsanteile bekommen. Wurde mein Problem so ein wenig deutlicher?

Grüße
Kampf-Ameise

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Grundsätzlich reagiert das PA unter Last sofort mit elastischen, viskoelastischen und viskoplastischen Dehnungen. Eine scharfe Grenze, wann ein etwaiger rein elastischer Bereich verlassen wird gibt es i.d.R. nicht. Insbesondere unterhalb der  Glasübergangstemperatur und bei moderater Belastung erscheint die Annahme rein elastischen Verhaltens zulässig.

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Ahhhh ok! Dann kann ich leider nicht meinen erdachten Weg gehen! Vielen Dank für Deine Hilfe!

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