Im Spritzguss hergestellte Bauteile mit Kurzfaserverstärkung weisen ein niedriges Gewicht bei hoher Steifigkeit auf und bieten damit beispielsweise in der Automobilbranche eine Alternative zu Bauteilen aus konventionellen Werkstoffen wie Stahl. Die Eigenschaften der Kunststoffbauteile sind das Resultat einer vielschichtigen Prozessgeschichte. Dabei erfährt das Material einen hohen Wärmeaustausch, wechselt seine Phase von flüssig zu fest, kühlt lokal unterschiedlich schnell ab und wird von den Orientierungen der eingebetteten Kurzfasern geprägt. Da die Bauteileigenschaften eine hohe Sensitivität gegenüber Variationen der Prozessparameter besitzen, sollen Simulationen des Fertigungsprozesses kostengünstige Vorhersagen zur Güte des Endproduktes ermöglichen. Den Simulationen liegen mathematische Gleichungen zu Grunde, die das effektive Materialverhalten beschreiben. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Formulierung eines solchen Materialmodells. Mit Hilfe von Homogenisierungen repräsentativer Volumenelemente wird zunächst der Einfluss der Faserorientierungsverteilung auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften analysiert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen anschließend in die Modellierung des Materialverhaltens ein. Der in dieser Arbeit verwendete Modellierungsrahmen ist für große Deformationen ausgelegt, berücksichtigt den Phasenübergang sowie Temperaturabhängigkeiten in den viskoelastischen Steifigkeitsanteilen und stützt sich auf eine effektive Integrationsregel, um die Faserorientierungsverteilung einzubeziehen. Die Identifikation der Materialparameter geschieht mit Hilfe von Experimenten an Proben mit unidirektionaler Faserausrichtung. Das identifizierte Materialmodell wird schließlich in die kommerzielle Finite-Elemente-Umgebung Abaqus implementiert und steht damit Simulationen der Abkühlung und der Beanspruchung eines spritzgegossenen Kettenglieds zur Verfügung.

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

simulationsunterstützte Weiterentwicklung eines Produktes mit dem Ziel der Material- sowie Energieeinsparung während des Herstellungsprozesses; konstruktive und simulative Optimierung des Kunststoff-Spritzgieß-Bauteils (Gewichtsreduktion, Einsparung von Zykluszeit) bei gleichzeitigem Erhalt der Funktion und mechanischen Eigenschaften; durch gekoppelte Simulation des Herstellungsprozesses und der Strukturmechanik konnten Herstellungskosten, Materialkosten sowie der Energieaufwand im Herstellungsprozess deutlich reduziert werden. / Simulation-supported further development of a product with the aim of saving material and energy during the manufacturing process; constructive and simulative optimisation of the plastic injection moulding component (weight reduction, saving of cycle time) while at the same time maintaining the function and mechanical properties; through coupled simulation of the manufacturing process and the structural mechanics, manufacturing costs, material costs and the energy input in the manufacturing process could be significantly reduced.

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Die Herstellung hochwertiger flächenhafter Werkstoffe durch Beschichten geeigneter Substrate ist eine permanente Herausforderung für die Materialentwicklung in dieser Branche. Solche Materialien einschließlich ihrer Oberflächen werden mit immer komplexeren Funktionalitäten ausgestattet, um den spezifischen Anforderungen für Anwendungen in der Medizintechnik, bei der Fahrzeugausstattung oder als technische Textilien zu entsprechen. Dabei muss sich die Kunststoffbahnenindustrie zunehmend mit den Chancen der additiven Fertigung sowie den Anforderungen der Industrie 4.0 auseinandersetzen. Der 13. Freiberger Polymertag wird neue technische Entwicklungen bei Rohstoffen und Technologien sowie grundlagenorientierte Forschungsergebnisse zur wissenschaftlichen Diskussion stellen. Unter anderem werden Polymere und Additive für funktionale Beschichtungen, die additive Fertigung mit synthetischen und natürlichen Polymeren und dünne funktionale Schichten einschließlich nanoskaliger Strukturen, vorgestellt werden. In bewährter Weise soll unsere Fachtagung wieder ein Forum bieten, um Erfahrungen und Wissen auszutauschen, neue Lösungsansätze zu diskutieren und Kontakte zu pflegen.

Während heutzutage zuverlässige Simulationsmodelle zur Beschreibung der Verbundsteifigkeit kurzfaserverstärkter, thermoplastischer Kunststoffe existieren, bietet der Stand der Technik kein robustes Materialmodell zur Beschreibung der Verbunddämpfung. Zur Beschreibung der Verbunddämpfung werden einfache Ersatzmodelle genutzt, welche iterativ angepasst werden. Zur zuverlässigen Prognose vom Übertragungsverhalten des Körperschalls von Kunststoffkomponenten in der Simulation ist dies nicht ausreichend. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur Prognose der Strukturdynamik von Kunststoffkomponenten im Motor-Getriebe-Verbund vorgestellt. Dabei wird das Arbitrary-Reconsidered-Double-Inclusion (ARDI) Modell zur Beschreibung der Verbunddämpfung dargestellt. Dieses basiert auf einer Homogenisierung aus den Dämpfungen der Matrix, Fasern und Interphasen als kristalliner Bereich zwischen Faser und Matrix. Die Interphasendämpfung wird im Abgleich zwischen Experimenten und Simulationen invers bestimmt. Unter der Berücksichtigung rekonstruierter Faserverteilungsfunktionen werden Materialdatenbanken bestehend aus Verbundsteifigkeiten und Verbunddämpfungen erzeugt. Die Berechnung der numerischen Faserorientierung erlaubt die richtungsabhängige Beschreibung der linearen Viskoelastizität in der strukturdynamischen Simulation. Anhand experimenteller und simulativer Untersuchungen von Proben und Komponenten wird in Abhängigkeit des Matrixwerkstoffes, Fasergehaltes, der Faserorientierung, Temperatur und Feuchtigkeit eine Verifizierung des entwickelten Materialmodells durchgeführt. Die Untersuchungen an Proben und Komponenten zeigen, dass das ARDI-Materialmodell im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Beschreibung der Verbunddämpfung kurzfaserverstärkter, teilkristalliner Thermoplaste gewährleistet. Dies ist in der Berücksichtigung der Dämpfung der Interphasen begründet. Dadurch wird die Prognosegüte der Amplituden der Übertragungsfunktionen von den strukturdynamischen Simulationen zuverlässig. Demgegenüber zeigt die Simulation der Strukturdynamik unter Anregung durch Betriebsschwingungen, dass ausschließlich der Einfluss der Verbunddämpfung der Kunststoffkomponente im Vergleich zur gesamten Dämpfung des Motor-Getriebe-Verbundes bewertbar ist.

Diese Arbeit untersucht ein einachsiges Materialmodell nach Downing zur Beschreibungdes zyklischen Spannungs-Dehnungsverhalten von Grauguss. Das Modell unterteilt die Gesamtantwort in eine symmetrisch elastisch-plastische Komponente der Metallmatrix und in zwei nichtlinear elastische Anteile, die das Verhalten der Graphitphase im Inneren und an der Oberfläche beschreiben. Das statische und transiente Materialverhalten wurde experimentell quantitativ bestimmt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnissen wird das Modell für GJL-200 und GJL-300 überprüft und parametrisiert. Ein Algorithmus zur rechentechnischen Implementierung wird vorgeschlagen und die Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten verglichen. Abschließend wurde das Modell um den Einfluss der Schädigung durch Mikrorisswachstum erweitert und den Versuchsdaten gegenübergestellt. / This thesis investigates an uniaxial model by Downing for cyclic stress-strain response of gray cast iron. The model seperates overall material response into a symmetrical elastic/plastic bulk response and two nonlinear elastic components to account for the behaviour of the graphite phase. Based on experimental data the model is validate and parameterized for GJL-200 and GJL-300. An algorithm suitable for computerization is presented and simulation results are compared to experimental data. Finally the model is extended to include damage due to the effects of micro crack growth and compared to experimental data.

Das Promotionsthema war die numerische Untersuchung des Einflusses der mechanisch induzierten martensitischen Phasenumwandlung auf das Bruchverhalten hochlegierter TRIP-Stähle. Die Analyse der Spannungsfelder vor einer abstumpfenden Rissspitze hat ergeben, dass die Phasenumwandlung zu höheren rissöffnenden Spannungen führt. Außerdem wurden charakteristische Spannungsverläufe mit Wendepunkten beobachtet. Für duktiles Versagen wurde ein positiver Einfluss der Phasenumwandlung geschlussfolgert, da die umwandlungsinduzierte Verfestigung das Porenwachstum in der Bruchprozesszone erschwert. Dies wurde an Hand mikromechanischer Simulationen der duktilen Rissausbreitung demonstriert. Im Rahmen der Theorie materieller Kräfte konnte eine abschirmende Wirkung des TRIP-Effekts auf die Rissspitze nachgewiesen werden. Durch Phasenumwandlung wird Arbeit dissipiert, die nicht mehr für Rissfortschritt verfügbar ist. Die energetische Triebkraft für Risswachstum wird demzufolge reduziert. Die Rissausbreitung im TRIP-Stahl wurde mit einer Kohäsivzone modelliert. Die Parameter des Kohäsivzonenmodells charakterisieren den Bruchprozess und konnten unter Verwendung experimenteller Daten identifiziert werden. Um zukünftig die Rolle der Phasenumwandlung bei Ermüdungsrisswachstum untersuchen zu können, wurde ein Materialmodell für TRIP-Stähle unter zyklischer Beanspruchung entwickelt. Die erforderlichen Materialparameter wurden mit Hilfe der Daten aus Wechselverformungsversuchen bestimmt. / This thesis is focused on the numerical investigation of the fracture behavior of high alloy austenitic TRIP-steels and especially on the effect of mechanically induced martensitic phase transformation. The analysis of stress fields in front of a blunting crack tip has shown that phase transformation leads to higher crack opening stresses. Additionally, characteristic courses of the stress components with inflection points were observed. A positive influence of phase transformation on ductile fracture was concluded, because transformation induced hardening retards void growth in the fracture process zone. This was demonstrated by micromechanical simulations of ductile crack extension. In order to investigate the shielding effect of phase transformation on the crack tip, the theory of material forces was applied. Mechanical work is dissipated due to the TRIP-effect, which is no longer available for crack growth. Hence, the energetic driving force for fracture is reduced. Furthermore, crack extension is modeled with a cohesive zone. The parameters of the cohesive zone model, which characterize the fracture process, are identified based on experimental data. In future work the role of phase transformation during fatigue crack growth should by studied. Therefore, a material model for TRIP-steels under cyclic loading was developed. The associated material parameters were estimated based on the results of cyclic deformation experiments.

The apoptosis and dysfunction of vascular smooth muscle cells in the human descending thoracic aorta is often associated with cardiovascular diseases like aortic dissection and aneurysms. Knowledge of the mechanical effects of contractile smooth muscle cells plays a crucial role in the understanding these potentially lethal conditions. Located in the medial layer, vascular smooth muscle cells are arranged in the so-called herringbone pattern. In regards to the mechanics of the aorta, the consequences of this type of anisotropy have not been fully discussed in literature so far. In this end, a novel hyperelastic constitutive law is proposed which accounts for the dispersive, transmural alignment of vascular smooth muscle cells and their characteristic length-tension behaviour. The model is calibrated with experimental data and is applied to the simulation of an aortic ring under in vivo conditions. By approximating the geometry of the aorta as a layered, thick-walled cylinder, the corresponding quasistatic, mechanical boundary value problem is solved semi-analytically. It is shown that the herringbone pattern induces shear deformation and equalises the normal stress gradients in the aortic wall. Since arterial vessels are able to actively adapt and alter the alignment and activity of smooth muscle cells, the existence of the herringbone pattern is in accordance with Fung's principle of optimal operation.

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffklassen ermöglichen Hybridverbunde die Entwicklung von Strukturbauteilen, die sich beispielsweise durch eine hohe Festigkeit bei einem gleichzeitig geringen Gewicht auszeichnen. Trotz des großen Einsatzpotentials wurden Hybridverbunde, begründet durch eine kostenintensive und zeitaufwendige Fertigung, bislang nicht für Großserienbauteile vorgesehen. Mit der Konzeption intrinsischer, das heißt einstufiger, Produktionsprozesse wird es jedoch gelingen die Attraktivität zu steigern und damit die Anwendung von Hybridverbunden unter anderem auch in der Automobilindustrie zu etablieren. Exemplarisch soll im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines intrinsischen Hybridverbundes für crashbelastete Strukturbauteile simulativ begleitet werden. Der dabei betrachtete Hybridverbund besteht aus einem endlosfaserverstärktem Kunststoff, in den ein metallischer Einleger eingebracht ist. Zur Realisierung der Anbindung der Komponenten sieht das Konzept des Hybridverbundes die Kombination von Form- und Stoffschluss vor. Dabei resultiert der Stoffschluss aus der Beschichtung des metallischen Einlegers, die die Ausbildung eines Interface bewirkt. Zur Realisierung des Formschlusses werden während des überlagerten Umformprozesses lokal Formschlusselemente des metallischen Einlegers in den endlosfaserverstärkten Kunststoff gepresst. Dadurch weisen die resultierenden Bauteile eine komplexe innere Struktur auf, die die simulative Analyse und damit die Bauteilauslegung erschwert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Modellierung und Simulation dieses intrinsischen Hybridverbundes. Dazu ist zunächst das Materialverhalten aller Komponenten durch adäquate Materialmodelle für große Deformationen abzubilden. Für deren Entwicklung wird ein Konzept zur Materialmodellierung aufgegriffen und erweitert, das die Formulierung auf der Basis direkt verschalteter rheologischer Elemente ermöglicht. Nach entsprechenden Parameteridentifikationen werden die Materialmodelle im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen eines aus dem Hybridverbund gefertigten Demonstratorbauteils angewendet. Dabei ermöglicht das Vorgehen zur Modellerstellung die Berücksichtigung und Bewertung von Einflüssen der intrinsischen Fertigung auf das Bauteilverhalten. / Hybrid parts, combining for example low weight with high strength, are based on the combination of different material classes. Despite an enormous potential for applications, hybrid composites are not well established for large series parts due to the expensive and complex production. To increase the number of applications, intrinsic, i.e. single-step, manufacturing processes are designed. Within this work, the development of an intrinsic hybrid composite for crash-relevant structural parts is supported by simulations. The considered hybrid composite is made up of a fibre-reinforced polymer, in which a metallic insert is integrated. The connection between these components is based on a combination of geometrical form fit and adhesive bonding. On one hand, adhesive bonds result from a coating of the metallic insert. On the other hand, local form fit elements are pressed into the fibre reinforced polymer during the global forming process. Consequently, the resulting parts, manufactured in just one step, show a complex inner structure, which make simulative analyses and dimensioning more difficult. Within the work at hand, the main research goal is the modelling and simulation of this intrinsic hybrid composite. To this end, the mechanical behaviour of all individual components has to be described by appropriate material models at large strains. For those developments, a concept of material modelling, which enables the formulation based on directly connected rheological elements, is adopted and extended. After identifying the according material parameters, these material models are applied within finite element simulations of a demonstrator made up of the hybrid composite. Thereby, the applied procedure for creating finite element models allows to consider and evaluate how the intrinsic manufacturing process affects the mechanical behaviour of the parts.