Thermo-mechanische Haltbarkeitsanalyse zur Designverbesserung elastomerer Bauteile in der industriellen Forschung und Entwicklung
Polymermaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Transferprojekt „Thermo-mechanische Haltbarkeitsanalyse zur Designverbesserung elastomerer Bauteile in der industriellen Forschung und Entwicklung“ wurde ausführlich das Materialverhalten wie auch das Strukturverhalten elastomerer Komponenten numerisch und experimentell untersucht. Der Schwerpunkt des Projekts lag neben der Modellfindung und der Ausführung von Experimenten (Material- und Strukturebene) auf der Parameteridentifikation. Elastomere Bauteile mit Stahlformteilen sowie textilen Verstärkungen wurden näher betrachtet. Vor allem für eine zyklische Belastungssituation wurden Simulationskonzepte entwickelt. Neben der Vorhersage der Temperaturentwicklung wurde auch die Rissentwicklung betrachtet. Interne und externe Wärmequellen, die auf die Elastomerwerkstoffe einwirken, wurden erfasst. Das Elastomermaterial wurde für große Verzerrungen, finite Deformationen und nichtlineares zeitabhängiges Verhalten modelliert. Ein temperaturabhängiges Materialmodell wurde über eine Potentialformulierung aufgestellt, die es erlaubt, eine temperatur- und deformationsabhängige Wärmekapazität des Materials wiederzugeben. Als inelastisches Werkstoffverhalten wurde eine temperaturabhängige, nichtlineare finite Viskosität betrachtet. Zusätzlich erlaubt ein skalarer Schädigungsansatz, mechanische wie thermische isotrope Schädigung im Modell wiederzugeben. Zur Übertragung der Materialantwort auf die Strukturebene wurde ein Volumenelement hergeleitet und implementiert. Berücksichtigt wurde dabei die Zeitintegration der Materialantwort, um eine verlässliche Temperaturantwort zu erhalten. Die Elementformulierung schließt dynamische Trägheitseffekte mit ein. Zur Vorhersage der Temperaturantwort für zyklisch belastetet Bauteile (z.B. rollende Reifen, Schwingungslager), wurde eine sequentielle Lösung des gekoppelten thermo-mechanischen Problems hergeleitet und umgesetzt. In einer Nachlaufrechnung wurden die Anteile der Methode der Materiellen Kräfte ausgewertet. Hauptaugenmerk wurde auf die zusätzlichen Anteile aus Temperatur und Dynamik gelegt. Dissipative Energieeinträge aus den inelastischen Eigenschaften des Materials werden über interne spannungs- und verzerrungsbezogene Variablen modelliert und berücksichtigt. Weitere Anteile aus Reibung, äußeren Wärmeflüssen und Schädigung sind ebenfalls im Modell erfasst. Zur Abbildung finiter Risse wurden zwei Konzepte verfolgt: Zum einen wurde ein thermo-mechanisches kohäsives Element für große Verformungen und Rissöffnungen hergeleitet und implementiert. Zum anderen wurde die SBFEM auf geometrisch wie physikalisch nichtlineares Materialverhalten übertragen. Mit speziellen Rissspitzenelementen konnte die Rissspitze knotenfrei parametrisiert werden. Darüber hinaus erlaubt die Elementformulierung die Integration von hängenden Knoten im FE-Netz. Zusammen mit einer Netzadaptationstechnik konnte die zyklische Ausbreitung von Rissen in einem thermo-mechanischen Kontext simuliert werden. Wärmeflüsse über die Oberfläche des Bauteils wurden mittels finiter Oberflächenelemente berücksichtigt, wobei gezielt Paramterstudien zum Wärmeaustausch und der Beschreibung des Wärmeaustauschs über konstitutive Gesetze durchgeführt wurden. Untersuchte elastomere Bauteile umfassen Hantel-Prüfkörper, Topflager, Pkw- und OTR-Reifen. Des Weiteren wurde die Rissausbreitung in TFA-Prüfkörpern unter zyklischer Last simuliert. Numerische Verifikationen wurden für die entwickelten Material- und Elementformulierungen durchgeführt. Anhand von Parameterstudien wurden verschiedenen Einflussfaktoren für die Erwärmung zyklisch belasteter Bauteile untersucht. Die Übertragung in die kommerzielle Anwendungsumgegbung (ABAQUS) erlaubt eine industrielle Anwendbarkeit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- : Macroscopical modeling and numerical simulation for the characterization of crack and durability properties of particle-reinforced elastomers. In: Grellmann, W. et al. (Hrsg.): Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends Bd. 70. Springer-Verlag, Berlin, 2013, S. 167–226
Behnke, R. ; Dal, H. ; Geissler, G. ; Näser, B. ; Netzker, C. ; Kaliske, M.
- A physically and geometrically nonlinear scaledboundary-based finite element formulation for fracture in elastomers. In: International Journal for Numerical Methods in Engineering 99 (2014), S. 966–999
Behnke, R. ; Mundil, M. ; Birk, C. ; Kaliske, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/nme.4714) - Theoretical-numerical approaches to simulate fracture in polymeric materials. In: Procedia Materials Science 3 (2014), S. 2065–2070
Kaliske, M. ; Behnke, R. ; Fleischhauer, R. ; Özenç, K. ; Zreid, I.M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.06.334) - Material laws of rubbers. In: Kobayashi, S. (Hrsg.) ; Müllen, K. (Hrsg.): Encyclopedia of Polymeric Nanomaterials. Springer-Verlag, Berlin, 2015, S. 1187–1197
Kaliske, M. ; Behnke, R.
- Thermo-mechanically coupled investigation of steady state rolling tires by numerical simulation and experiment. In: International Journal of Non-Linear Mechanics 68 (2015), S. 101–131
Behnke, R. ; Kaliske, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2014.06.014) - Thermo-mechanical analysis of cyclically loaded particle-reinforced elastomer components: Experiment and finite element simulation. Rubber Chemistry and Technology: March 2016, Vol. 89, No. 1, pp. 154-176
Behnke, R. ; Kaliske, M. ; Klüppel, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5254/rct.15.84852)
