Beschreibung des Kompressionsverhaltens technischer Elastomere - Finite-Elemente-Modellierung und Temperaturbetrachtung

Abstract

Im IGF-Vorhaben 21767 N „Beschreibung des Kompressionsverhaltens technischer Elastomere - Finite-Elemente-Modellierung und Temperaturbetrachtung“ wurde unter anderem eine umfassende experimentelle Charakterisierung des temperaturabhängigen Materialverhaltens (isochor und volumetrisch) verschiedenster (technischer) Elastomere durchgeführt. Es wurden 16 Mischungen (8 akademische mit bekannter Rezeptur und 8 industrienahe) im Temperaturbereich von -40°C bis 120°C untersucht. Darüber hinaus lag ein weiteres Augenmerk auf der volumetrischen Kompression für den Fall hoher Volumendehnung bis zu 11% (bei bis zu 1 GPa hydrostatischem Druck). Es ist festzuhalten, dass das volumetrische Kompressionsverhalten im Gegensatz zum isochoren Verhalten rein hyperelastisch ist, weshalb einmalig be- und entlastende Kompressionsversuche zur Charakterisierung des volumetrischen Materialverhaltens ausreichend sind. Es ist zudem festgestellt worden, dass die auftretende Nichtlinearität des Kompressionsverhaltens von akademischen Modellen stark unterschätzt wird. Weiter konnten in der Literatur dokumentierte Vorbehalte bezüglich des isochor-volumetrischen Splits ausgeräumt werden: Bei der Wahl eines adäquat nichtlinearen Kompressionsmodells kann das experimentell beobachtete degressives Verhalten unter Verwendung des isochorvolumetrischen Splits korrekt vorhergesagt werden. Lediglich lineare Kompressionsmodelle führen zu progressivem Verhalten. Durch einen speziell entwickelten Prüfaufbau mit direkter Reibkraftmessung konnte im Projekt der Systemfehler durch Reibung ermittelt werden. Die Ergebnisse mündeten auch in einer neuen Auswertemethodik am Entlastungspfad, die den Reibeinfluss minimiert. Es wurden zwei Prüfstände an den zwei Forschungsstellen iterativ verbessert, die sich in vielen wesentlichen Designelementen stark unterscheiden. So konnten viele Erfahrungen in der Konstruktion von Kompressionsprüfständen gesammelt werden und da die finale Charakterisierung an beiden Prüfständen durchgeführt wurden, konnte auch die erwartbare Reproduzierbarkeit (bezüglich anderer Prüfaufbauten) quantifiziert werden. Basierend auf den gemachten Beobachtungen im Rahmen der Materialcharakterisierungen wurden einfache und komplexe Materialmodelle (isochor: Neo-Hooke Modell, SIRM; volumetrisch: Konstanter Kompressionsmodul, Hartmann-Neff-Ansatz) um explizite Temperaturabhängigkeit erweitert und in kommerzielle FE-Software implementiert. Auch wurden Modelle um explizite Abhängigkeit des Ruß-Volumengehaltes erweitert. Diese Modelle ermöglichen es FE-Simulationen in übergelagerte Optimierungsalgorithmen einzubinden, die nicht nur die Geometrie, sondern auch den Füllstoffgrad auf eine Ziel-Steifigkeit des Bauteils hin optimieren können – ohne das neue Materialcharakterisierungen erforderlich werden. Damit ist eine wesentliche Grundvoraussetzung für ein virtuelles Produktdesign erbracht worden. Auch wurde die Wärmeausdehnung im volumetrischen Anteil berücksichtigt. Die Modellierungen wurde abschließend in der Finite-Elemente-Analyse zur Vorhersage von Praxisbeispielen aus der Industrie angewandt. Die reale starke Nichtlinearität des Kompressionsverhaltens stellt in der Praxis eine große Herausforderung für die numerische Stabilität dar. Die im Vorfeld der Antragsstellung dieses Projektes entwickelten CL3F-Elemente wurden im Projekt ausführlich auf ihre numerische Stabilität hin untersucht und mit kommerziellen Hybridelementen aus Abaqus und Marc verglichen. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die CL3F-Elemente den kommerziellen Elementen überlegen sind. Dies bezieht sich vor allem darauf, dass diese Elemente generell, d.h. unabhängig von den untersuchten Szenarien, sehr stabil sind. In Einzelfällen wurden sie durchaus von kommerziellen Elementen übertroffen, welche jedoch in anderen Szenarien unbrauchbar instabil waren. Die geplante Portierung der CL3F-Elemente in Abaqus konnte leider aus Zeitgründen nicht erfolgreich abgeschlossen werden. Insgesamt wurden die Ziele des Forschungsvorhabens jedoch erreicht und in einigen Fällen weit übertroffen, wie etwa bei den untersuchten hydrostatischen Drücken. (300 MPa waren geplant.) Auch die konstruktiv sehr aufwändige Bestimmung des Reibeinflusses war ursprünglich nicht geplant, erwies sich aber als wesentliche Bereicherung für das gesamte Vorhaben. Datei-Upload durch TIB