Ermittlung der dreidimensionalen, mechanischen Eigenschaften von Formkörpern aus Fasermaterialien und deren FE-Modellierung

Abstract

Diese Arbeit widmet sich der makroskopischen Charakterisierung der räumlichen Materialeigenschaften von Zellstoffproben aus Primärfasern. Zunächst erfolgt eine Betrachtung des zu Grunde liegenden Herstellungsprozesses mit dem Ziel der Homogenisierung der für die späteren Versuche benutzten Probenkörper. Aufbauend auf den rheologischen Eigenschaften der Fasersuspension wird der Anformvorgang theoretisch und praktisch untersucht, um Vorhersagen über Faserausrichtung und Porosität des angeformten Faservlieses zu ermöglichen. In einem nächsten Schritt wird ein Zusammenhang zwischen der mit Hilfe eines 3D-Scanners gemessenen mittleren Probendicke und dem Flächengewicht hergestellt. Die Betrachtung der physikalischen Materialeigenschaften schließt mit einer Untersuchung der hygroskopischen Materialantwort. Basierend auf der Fick'schen Gleichung wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem in Abhängigkeit des Zielklimas Absorptionsverläufe berechnet werden können. Zur Bestimmung der mechanischen Materialparameter in z-Richtung wird der aus der Literatur bekannte Arcan-Versuchsaufbau modifiziert. Die Auswertung der aufgenommen Versuchsdaten inklusive der statistischen Einordnung erfolgt über die gesamte Bandbreite der durchgeführten Versuche vollautomatisch. Die skizzierten Algorithmen lassen sich über Variablen an andere Proben- bzw. Versuchsparameter anpassen. Neben der experimentellen Untersuchung des als initial transversal isotrop angenommenen Materialverhaltens mittels Zug-, Druck- und Scherversuchen in der Anformebene sowie der dazu orthotropen Richtung widmet sich ein Kapitel der viskoelastischen Materialantwort in Form von Spannungsrelaxations- und Kriechversuchen. Das Verfestigungs- und das Moduldegradationsverhalten wird mit Hilfe von Hysterese-Versuchen analysiert. Die anschließende FE-Modellierung betrachtet das Zug- und Scherverhalten in der Ebene mittels klassischer Hill'scher Fließgrenze und einem Verfestigungsgesetz vom Sättigungstyp. Die Anwendbarkeit tensorieller Versagenskriterien wird zudem bewertet. Zur Beschreibung der beobachteten viskosen Effekte wird ein modifiziertes Zeitverfestigungsgesetz angewandt. Letztendlich erfolgt die Modellierung des Delaminationsverhaltens in z-Richtung mittels eines Kohäsivzonenmodells.

This thesis addresses the macroscopic characterization of the spatial material properties of moulded pulp products. In the first instance the underlying production process of moulded pulp samples is examined with the objective of homogenization of the samples later used. Based on rheological properties of the fibre suspension the forming process ist evaluated both theoretically and practically to enable the prediction of fibre orientation and porosity of the formed fibre mats. In a subsequent step a relationship between the mean sample width (measured with a 3D-scanner) and the specimen grammage is established. The examination of the physical material properties concludes with an evaluation of the hygroscopic material response. A procedure based on Fick's equation is proposed by which absorption processes can be calculated as a function of the target climate. To determine the mechanical material parameters in z-direction the known Arcan experimental setup is modified. The analysis of the experimental data including statistical classification is realized fully automatic throughout the whole scope of experiments. The outlined algorithms can be adapted to other specimen and experiment parameters by adjustable variables. Beside the experimental investigation of the initially assumed transversal isotropic material behaviour using in-plane tensile, compression and shear tests as well as the same tests in the perpendicular direction, one chapter focusses on the viscoelastic material respone in form of stress relaxation and creep experiments. Hardening and modul degradation behavior is analysed by means of hysteresis tests. The subsequent finite element modelling treats the in-plane tensile and shear behaviour via a classic Hill yield approach and a hardening law of the saturation type while furthermore the applicability of tensorial type failure criteria is evaluated. To describe the observerd viscious effects a modified time hardening law is used. Finally the modelling of the delamination behaviour in z-direction is carried out by means of an cohesive zone model.