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

摘要

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.