Erweiterung, Implementation und Erprobung eines allgemeinen Stoffgesetzes für Elastomere sowie dessen Anwendung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wesentliche Inhalte der ersten Förderperiode waren die Aufbereitung des Morph-Stoffgesetzes für die Nachbildung technischer Gummiwerkstoffe für eine anwendungstaugliche Identifikation der Materialparameter und die Methode der Finiten Elemente. Im Ergebnis dieser ersten Periode stand das Morph-Stoffgesetz in gleichwertigen tensoriellen Formulierungen der Euler’schen und der Lagrange’schen Betrachtungsweise und einer ersten Implementierung in das kommerzielle FEM-Programm Abaqus zur Verfügung. Das Stoffgesetz ist bereits in dieser Form in der Lage, das Verhalten technischer, gefüllter Gummiwerkstoffe bei großen zyklischen Deformationen unter Berücksichtigung extremer physikalischer Nichtlinearitäten, der Hysterese und des Mullins-Effekts realitätsnah nachzubilden. Gegenstand der zweiten Förderperiode waren Erweiterungen des Morph-Stoffgesetzes um die Nachbildung der bis zu diesem Zeitpunkt nicht berücksichtigten Richtungsgebundenheit des Mullins-Effekts und der damit einhergehenden belastungsinduzierten Anisotropie und um die Abhängigkeit des Materialverhaltens von der Verzerrungsgeschwindigkeit. Aufgrund der nicht zur Förderung beantragten, aber dennoch intensiven Forschungen in der fünfjährigen Phase zwischen den beiden Förderperioden ist der aktuelle Stand sehr weitreichend gegenüber den im Antrag formulierten Zielen. Für das Morph-Stoffgesetz wurden sehr effiziente und qualitativ hochwertige Erweiterungen im Rahmen des Konzepts der repräsentativen Raumrichtungen entwickelt. Bei einer in Relation zum Leistungsumfang sehr geringen Zahl von zwölf Materialparametern zeigt das Materialmodell eine hohe Abbildungsqualität für verschiedene Materialien. Als messtechnische Basis für diesen Nachweis wurden neue, bezüglich der Detektion der belastungsinduzierten Anisotropie infolge des Mullins-Effekts und der Abhängigkeit von der Verzerrungsgeschwindigkeit sehr sensitive und aufschlussreiche experimentelle Verfahren entdeckt. Das Morph-Stoffgesetz in seiner erweiterten Form liegt in Implementierungen für die zwei kommerziellen und das Anwendungssegment der Elastomerbauteile deutlich dominierenden FEM- Programme Abaqus und MSC.Marc vor. Durch die ebenfalls während der Gesamtlaufzeit entwickelte Wrapper-Technologie sind weitergehende Entwicklungen ohne Mehraufwand stets in beiden Implementierungen verfügbar. Außerdem ist auf diesem Weg eine zusätzliche Anwendung des Stoffgesetzes innerhalb von Ansys schon heute verfügbar, aber zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht umfassend getestet und validiert. Die Implementierungen in Abaqus und MSC.Marc sind einschließlich der Effizient und Robustheit der numerischen Umsetzung bis zur Praxisreife entwickelt und von Seiten der Industrie zur Anwendung vorgesehen. Die in diesem Projekt und parallel dazu durchgeführten Forschungen werden in vielfältiger Weise fortgesetzt werden. Für das Morph-Stoffgesetz ist eine Verbesserung der Nachbildungsqualität des Payne-Effekts vorgesehen. Das Konzept repräsentativer Richtungen wird in seinem Anwendungsbereich noch mehr erweitert werden. Schließlich sollen auch die neu entwickelten Versuchsmethoden und das Ellipsoidkonzept weiterentwickelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2005. ABAQUS implementation and simulation results of the MORPH constitutive model. In: Per-Erik Austrell & Leif Kari (Editoren): Constitutive Models for Rubber IV, Balkema, Leiden: 223-228
D. Besdo, C. Hohl, J. Ihlemann
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2005. Richtungsabhängigkeiten beim Mullins-Effekt. Kautschuk Gummi Kunststoffe 58, 438-447
J. Ihlemann
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2007. Determination of material parameters on the basis of inhomogeneous tests. In: A. Boukamel, L. Laiarinandrasana, S. Méo & E. Verron (Editoren): Constitutive Models for Rubber V, Taylor & Francis, London: 73-78
C. Hohl, J. Ihlemann
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2007. Generalization of one-dimensional constitutive models with the concept of representative directions. In: A. Boukamel, L. Laiarinandrasana, S. Méo & E. V (Editoren): Constitutive Models for Rubber V, Taylor & Francis, London: 29-34
J. Ihlemann
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2007. Time-dependent effects in dynamic tests of filled rubber. In: A. Boukamel, L. Laiarinandrasana, S. Méo & E. Verron (Editoren): Constitutive Models for Rubber V, Taylor & Francis, London: 305-310
H.R. Ahmadi, J. Ihlemann, A.H. Muhr
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2009. FE-Implementation of the Concept of Representative Directions. In: G. Heinrich, M. Kaliske, A. Lion & S. Reese (Editoren): Constitutive Models for Rubber VI, Taylor & Francis Group, London: 21-26
M. Freund, J. Ihlemann
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2010. Generalization of one-dimensional material models for the finite element method. Z.Angew.Math.Mech. 90, 399-417
M. Freund, J. Ihlemann
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2011. Finite element implementation of a microstructure-based model for filled elastomers. International Journal of Plasticity 27, 902-919
M. Freund, H. Lorenz, D. Juhre, J. Ihlemann, M. Klüppel
