Life estimation methodology for short fiber reinforced polymers under thermo-mechanical loading in automotive applications

In this paper a FE based lifetime assessment methodology for short glass fiber reinforced polybutylene terephthalate (PBT-GF30) under thermo-mechanical fatigue (TMF) loading is presented. In order to investigate the fatigue behavior of the material both isothermal strain controlled fatigue (ISCF) tests at four different temperatures and thermo-mechanical fatigue tests were conducted on plain and notched specimens. Through a comparative microscopic investigation of thermo-mechanical fatigue fracture surfaces and isothermal strain controlled fatigue fracture surfaces created at different temperatures the material state (i.e. the temperature) at which thermo-mechanical fatigue failure occurs was determined. On the basis of this insight a life estimation methodology derived from a strain energy density (SED) based approach was developed for the corresponding isothermal strain controlled fatigue load case [1]. Through consideration of additional effects occurring during thermo-mechanical fatigue testing (i.e. relaxation, spatial temperature gradients, creep damage due to low testing frequencies and plastic overloads) the isothermal approach was successfully adapted to the thermo-mechanical fatigue load case. In diesem Aufsatz wird ein FE basierter Lebensdauerberechnungsansatz fur kurzglasfaserverstarktes Polybutylenterephthalat (PBT-GF30) unter thermo-mechanischer Ermudungsbeanspruchung (TMF) prasentiert. Um das Ermudungsverhalten des Werkstoffs zu charakterisieren, wurden an gekerbten und ungekerbten Probekorpern sowohl isotherme dehnungsgeregelte Ermudungsversuche (ISCF) bei vier verschiedenen Temperaturen als auch Thermomechanische Ermudungstests durchgefuhrt. Durch eine vergleichende mikroskopische Untersuchung von TMF und ISCF Bruchoberflachen konnte ermittelt werden bei welchem Materialzustand (d.h. bei welcher Temperatur) die Schadigung unter TMF Bedingungen entsteht. Basierend auf dieser Erkenntnis und einem Kontrollvolumenansatz wurde eine Lebensdauerberechnungsmethode fur den zugehorigen isothermen Lastfall hergeleitet [1]. Durch Berucksichtigung spezifischer Einflusse der thermo-mechanischen Ermudungsbeanspruchung (z.B. Relaxation, raumliche Temperaturgradienten, Kriechschadigung und plastische uberlasten) konnte der isotherme Ansatz erfolgreich auf den Lastfall der thermo-mechanischen Ermudungsbeanspruchung ubertragen werden.