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Short fiber reinforced thermoplastics are used in a variety of industrial application for weight reduction and the demand is still increasing. Due to the reinforcement with fibers, produced parts show anisotropic mechanical properties depending on the underlying orientation of the glass fibers. In industrial applications, it is necessary to predict failure and lifetime of parts under defined condition. This can either be done by mechanical testing or by simulation. To enable short development cycles, save time, resources, and costs a simulative prediction is desirable. A so-called simulation chain is necessary to reach this goal. It starts with the simulation of the production process. The fiber orientation is process induced and can be calculated based on the velocity field of the polymer. It is followed by a mapping, where the relevant data from the process simulation is mapped to a finite element mesh. The second step is the simulation of failure and lifetime under defined conditions using a finite element analysis with an anisotropic material card. This work focuses on one key aspect of the simulation chain, the fiber orientation prediction. Fiber orientation can be predicted on two scales: a macroscopic scale, where statistical measures, e.g., moment of the probability distribution function, are used, and a microscopic scale, where single fibers are discretized. On the macroscopic scale there exist a variety of phenomenological models (FT, RSC, RPR, ARD, iARD, MRD, pARD, nematic). Those models depend highly on the chosen parameters. On the microscopic scale the models aim for high accuracy and physical behavior. Because of the discretization of single fibers, they are not applicable for large scale simulation. In this thesis both scales are combined for one macroscopic fiber orientation model with material dependent parameters. On both scales the research so far, was focused on shear flows since it is the dominant flow regime during injection molding. Experimental data suggested that the fiber orientation depends on the flow regime. Therefore, this research focuses not only on shear flow but additionally on elongational flows. Consequently, a flow dependent fiber orientation model is developed. To reach this goal multiple steps are necessary: Firstly, a sliding plate experiment in shear flow is performed and existing macroscopic fiber orientation models are validated against the experimental data. Secondly, a microscopic fiber model is further developed, and the contact definition is optimized and validated against experimental data. Additionally, influences on fiber orientation in different flows are studied on the microscopic scale. With this gained knowledge a new macroscopic fiber orientation model is proposed: a flow-dependent fiber orientation model scaling linearly between shear and elongation flow. The model is validated on multiple parts and shows an increase in accuracy in comparison to existing models. Moreover, a workflow for efficient parameter identification is proposed. Kurzfaserverstärkte Thermoplaste werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen zur Gewichtsreduzierung eingesetzt. Die Nachfrage ist weiterhin steigend. Aufgrund der unterliegenden Mikrostruktur der Fasern weisen die gefertigten Teile anisotrope mechanische Eigenschaften auf. In industriellen Anwendungen ist es notwendig, das Versagen und die Lebensdauer von Bauteilen unter definierten Bedingungen vorherzusagen. Dies kann entweder durch mechanische Tests oder durch Simulation erfolgen. Um kurze Entwicklungszyklen zu ermöglichen, Zeit, Ressourcen und Kosten zu sparen, ist eine simulative Vorhersage wünschenswert. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine so genannte Simulationskette notwendig. Sie beginnt mit der Simulation des Produktionsprozesses. Die Faserorientierung ist prozessinduziert und kann anhand des Geschwindigkeitsfeldes des Polymers berechnet werden. Es folgt ein Mapping, bei dem die relevanten Daten aus der Prozesssimulation auf ein Finite-Elemente-Netz abgebildet werden. Der zweite Schritt ist die Simulation des Versagens und der Lebensdauer unter definierten Bedingungen mittels einer Finite-Elemente-Analyse mit einer anisotropen Materialkarte. Diese Arbeit konzentriert sich auf einen Schlüsselaspekt der Simulationskette, die Vorhersage der Faserorientierung. Die Faserorientierung kann auf zwei Skalen vorhergesagt werden, einer makroskopischen Skala, auf der statistische Maße, z. B. Momente der Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion, verwendet werden, und einer mikroskopischen Skala, auf der einzelne Fasern diskretisiert werden. Auf der makroskopischen Skala gibt es eine Vielzahl von phänomenologischen Modellen (FT, RSC, RPR, ARD, iARD, MRD, pARD, nematisch). Diese Modelle hängen stark von den gewählten Parametern ab. Auf der mikroskopischen Skala zielen die Modelle auf hohe Genauigkeit und physikalisches Verhalten ab. Aufgrund der Diskretisierung einzelner Fasern sind sie für die Simulation im großen Maßstab nicht geeignet. In dieser Arbeit werden beide Skalen für ein makroskopisches Faserorientierungsmodell mit materialabhängigen Parametern kombiniert. Auf beiden Skalen konzentrierte sich die Forschung bisher auf Scherströmungen, da dies das dominierende Strömungsregime beim Spritzgießen ist. Experimentelle Daten legen nahe, dass die Faserorientierung vom Flußtype abhängt. Daher konzentriert sich diese Forschung nicht nur auf Scherströmungen, sondern zusätzlich auf Elongationsströmungen. Infolgedessen wird ein strömungsabhängiges Faserorientierungsmodell entwickelt. Um dieses Ziel zu erreichen, sind mehrere Schritte notwendig: Erstens wird ein Gleitplattenexperiment in Scherströmung durchgeführt und bestehende makroskopische Faserorientierungsmodelle werden gegen die experimentellen Daten validiert. Zweitens wird ein mikroskopisches Fasermodell weiterentwickelt, indem die Kontaktdefinition optimiert wird Es erfolgt außerdem eine Validierung anhand experimenteller Daten. Zusätzlich werden Einflüsse auf die Faserorientierung in verschiedenen Strömungen untersucht. Mit diesen gewonnenen Erkenntnissen wird ein neues makroskopisches Faserorientierungsmodell vorgeschlagen: ein strömungsabhängiges Faserorientierungsmodell, das linear zwischen Scher- und Dehnungsströmung skaliert. Das Modell wird an mehreren Bauteilen validiert und zeigt eine Erhöhung der Genauigkeit im Vergleich zu bestehenden Modellen. Darüber hinaus wird ein Arbeitsablauf für eine effiziente Parameteridentifikation vorgeschlagen. |
