Dehnratenabhängigkeit mechanischer Werkstoffkennwerte von Kalk-Natronsilicatglas

König, Christian

In der vorliegenden Arbeit wird die Abhängigkeit der Werkstoffkennwerte Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit von der während der Beanspruchung von Bauteilen aus Kalk-Natronsilicatglas auftretenden Dehnrate untersucht. Hierzu wird ein Versuchsaufbau zur Durchführung von einaxialen Zugversuchen an Probekörpern in einer Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschine konzipiert. Mit zeitlich hochauflösender Messtechnik werden Kraft- und Dehnungsverlauf während der Versuche aufgezeichnet. Mit dem Versuchsaufbau werden umfangreiche Versuchsreihen an Glasprobekörpern aus gewöhnlichem Floatglas und thermisch vorgespanntem Floatglas (ESG) mit unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten und daraus in der Probe resultierenden Dehnraten durchgeführt. Der Dehnratenbereich erstreckt sich dabei von quasistatischen Beanspruchungen bis zu Beanspruchungen im Bereich von Impaktversuchen. Die obere Dehnratengrenze ergibt sich hierbei durch den Versuchsaufbau, der bei schnelleren Prüfungen keine zuverlässig auswertbaren Messschriebe mehr liefert. Aus den aufgezeichneten Kraft- und Dehnungsverläufen werden zunächst für jeden Probekörper die mechanischen Werkstoffkennwerte bestimmt, in einer statistischen Auswertung werden dann die jeweiligen Erwartungswerte und Standardabweichungen für jede untersuchte Dehnrate ermittelt. Sowohl für die Zugfestigkeit als auch für den Elastizitätsmodul des untersuchten Kalk-Natronsilicatglases kann ein eindeutiger Trend zur Zunahme mit ansteigender Dehnrate festgestellt werden. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse werden unter Verwendung rheologischer und induktiver Ansätze Werkstoffmodelle entwickelt, die in der Lage sind, das dehnratenabhängige Spannungs-Dehnungs-Verhalten des untersuchten Glases zu beschreiben. Die freien Parameter der Werkstoffmodelle werden hierzu in einem numerischen Optimierungsprozess bestimmt. Die Eignung der verschiedenen Modellansätze zur Beschreibung des realen Werkstoffverhaltens wird vergleichend bewertet. Abschließend wird ein dehnratenabhängiges Werkstoffmodell in ein kommerzielles FEM-Programm implementiert, um die Hochgeschwindigkeitszugversuche und das hierbei beobachtete dehnratenabhängige Werkstoffverhalten des untersuchten Kalk-Natronsilicatglases in der numerischen Simulation abbilden zu können.

In this work investigations of the dependency of the material properties modulus of elasticity and tensile strength on the strain-rate occurring when loading structures made of soda lime silica glass are performed. Therefore, a test setup for conducting uniaxial tension tests on specimens in a high-speed testing machine is designed. Progression of force and strain during the experiments is recorded by means of a measurement setup with high sampling rates. Comprehensive test series on plain float glass as well as on single pane safety glass with different testing velocities and subsequent different strain-rates in the material are conducted. The investigated strain-rate region extends over an area from quasi-static loading up to impact-testing. The maximum strain rate is limited by the test setup and corresponding data acquisition which is not able to deliver analyzable data for higher testing velocities. From the measured progression of force and strain during the tests the mechanical material properties for each specimen are determined. The expectation values and standard deviations for each group of specimens tested with the same strain-rate are calculated by statistical evaluation. For the modulus of elasticity as well as the tensile strength of the investigated soda lime silica glass an increase with higher strain-rates can be observed. Based on these results material models with rheological and inductive approaches are developed to describe the observed strain-rate dependent stress-strain-behavior of the investigated glass. The free parameters of the models are determined using numerical optimization. The applicability of the different models for describing the real material behavior is evaluated and compared. Finally, a strain-rate dependent material model is implemented into a commercial finite element method program to represent the high-speed tensile testing of glass specimens and the strain-rate dependent material behavior of the investigated soda lime silica glass within a numerical simulation.

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König, Christian: Dehnratenabhängigkeit mechanischer Werkstoffkennwerte von Kalk-Natronsilicatglas. 2011.

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