Auslegung von Probekörpern aus Hartschaum zur Ermittlung der biaxialen Zugfestigkeit

Zusammenfassung

Harte Polymerschäume haben mittlerweile eine breite Anwendung gefunden. Ihre Auslegung basiert allerdings auf Festigkeitswerten, die aus Versuchen an Probekörpern unter Zug-, Druck-, Torsions- und hydrostatischer Druckbelastung gewonnen werden. Für die materialgerechte Validierung einer Festigkeitshypothese sind weitere Beanspruchungszustände erforderlich. Dies gilt speziell für mehraxialen Zug: Es liegen bisher fast keine Messungen für gleichmäßige biaxiale und hydrostatische Zugbelastungen vor.

Zuerst wird ein geeigneter Versuchsaufbau erarbeitet, der sich mit einer konventionellen Zugprüfmaschine realisieren lässt. Neben dem gleichmäßigen biaxialen Spannungszustand können dabei weitere biaxiale Spannungszustände beim Zug erzeugt werden.

Das einfache Schema der Kraftverteilung erfordert eine spezielle Form des Probekörpers. Die folgende Ausarbeitung beschreibt die Auslegung von zwei verschiedenen Probekörpern aus Hartschaum. Dafür wird Hartschaum als quasihomogener isotroper Werkstoff betrachtet.

Für die Auslegung der Probekörper wird vom linear-elastischen Verhalten des Materials ausgegangen. Zur Bewertung der mehraxialen Spannungszustände wird die Festigkeitshypothese von Mohr–Coulomb herangezogen. Die maximalen Spannungen, die in den Kerben zwischen den Stellen der Krafteinleitung entstehen, werden durch die Geometrie des Probekörpers minimiert, so dass ein Versagen im Prüfbereich gewährleistet ist. Die Abmessungen der Probekörper werden an die kommerziell hergestellten Schaumblöcke angepasst.

Hydrostatische Zugbelastung bis zum Versagen lässt sich kaum realisieren. Ausgehend von den Versuchsergebnissen beim Zug und beim gleichmäßigen biaxialen Zug wird die Abschätzung der hydrostatischen Bruchspannung (Grenzspannung) vorgeschlagen.

Abstract

At present parts made of hard polymer foams have many application. The design of these components is however based on the strength values gained primarily from tests on specimens under tension, compression, torsion and hydrostatic compression. Further loading conditions are required for the validation of an adjusted strength hypothesis appropriate for the description of the material behavior. This is especially important for multi-axial tension: there are almost no measurements existing that consider balanced biaxial and hydrostatic tensile loads.

First, a suitable experimental setup is developed, which can be realized with a conventional tensile testing machine. In addition to the balanced biaxial stress state further biaxial tension stress states can be generated.

The simple manner of force distribution requires a special form of the specimen. The following paper describes the design of two different hard foam specimens. The foam is considered as quasihomogeneous isotropic material.

Linear elastic behavior of the foams is assumed for the dimensioning of the specimen. The stresses arising in the specimen under loading are assessed with the strength hypothesis of Mohr–Coulomb. The maximal stress occurring in the notches between the locations of force introduction are minimized by the geometry of the specimen, in order to assure failure in the test area. The dimensions of the specimens are adapted to the commercially produced foam blocks.

Failure at hydrostatic tension unfortunately can hardly be realized. Based on the experimental results from tension and balanced biaxial tension, the estimation of the hydrostatic stress is proposed and can be is also considered in the dimensioning of the test specimens.