Ein Beitrag zur Lebensdauerabschätzung kurzglasfaserverstärkter Kunststoffbauteile

Lebensdauervorhersagen an schwingend beanspruchten kurzglasfaserverstärkten (kgfv) Kunststoffbauteilen sind äußerst komplex. Diese Werkstoffklasse weist spezielle Eigenschaften auf, die sich stark von anderen Werkstoffen unterscheiden. Den spezifischen Einflussfaktoren muss sowohl experimentell als auch numerisch Rechnung getragen werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der gesamtheitlichen Lebensdauerabschätzung von kgfv Kunststoffbauteilen. Ausgehend von experimentellen und numerischen Untersuchungen wird ein Beitrag zur zuverlässigeren Lebensdauerabschätzung geleistet. Dem Berechnungskonzept zur Lebensdauerabschätzung liegt ein rein empirischer Ansatz zugrunde, der komplexe Schädigungsabläufe nicht berücksichtigt. In dieser Arbeit wird die Übertragbarkeit der Ansätze von kgfv Proben auf komplexe Kunststoffbauteile überprüft. Die primär lebensdauerbeeinflussenden Faktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit werden an einem Kunststoffbauteil aus PA66-GF50, im Einzelnen und in ihrer Wechselwirkung zueinander, experimentell untersucht. In weiterführenden Untersuchungen werden an Proben und am Bauteil die Schädigungsmechanismen, im Kontext der äußeren Einflüsse, analysiert. Eine grundsätzliche Übereinstimmung zwischen den an Proben und den am Bauteil ermittelten Einflussfaktoren sowie Schädigungsmechanismen kann hierbei bestätigt werden. Die auf Probenergebnissen basierenden Berechnungsmodelle und Materialkennwerte sind demnach auf ein komplexes Bauteil anwendbar. Die Berechnung einer Lebensdauer unter variabler Amplitude stellt eine weitere Besonderheit der kgfv Kunststoffe dar. Auf Basis ermittelter Gaßnerlinien und unter Einbezug äußerer Umgebungsbedingungen, wird die Genauigkeit der rechnerischen Lebensdauerabschätzung infolge der linearen Schadensakkumulation nach Miner-elementar untersucht. Die ermittelten effektiven Schadenssummen können durch Korrekturverfahren die Treffsicherheit der Lebensdauerberechnung steigern. Zur Umsetzung der rechnerischen Lebensdauerabschätzung wird die klassische Methode im Sinne metallischer Werkstoffe erweitert, indem eine Berechnungskette für die Anwendung an kgfv Kunststoffbauteilen aufgebaut wird. Die Grenzen der Anwendung des Berechnungskonzepts werden systematisch an Proben und dem Demonstrationsbauteil untersucht. Es wird festgestellt, dass durch die Erweiterung der Berechnungskette konservativ zufriedenstellende Lebensdauern, an einfachen Probengeometrien bis hin zu komplexen Strukturen, vorhergesagt werden können. Die Güte der Ergebnisse steht im Zusammenhang mit den gewählten Eingangsparametern. CT-Analysen verdeutlichen den signifikanten Einfluss der Faserorientierung auf die Genauigkeit der Ergebnisse. In diesem Zusammenhang werden die Anwendungsgrenzen der rechnerischen Lebensdauerabschätzung aufgezeigt. Gemäß dem Stand der Technik können aktuelle Softwarelösungen der Füllsimulation die Faserorientierungen nicht immer korrekt vorhersagen. In diesem Kontext werden geeignete Maßnahmen aufgezeigt und das Entwicklungspotential der Berechnungsmethode diskutiert.