Elasto-Opt

Erfassung, Simulation und Bewertung der thermomechanischen Schädigungsmechanismen von Elastomerbauteilen unter dynamischen mechanischen Beanspruchungen
FKM 2015
Heft Nummer 324
Vorhaben Nr. 299
93 Seiten

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Kurzfassung:
An einer Elastomermischung auf Naturkautschukbasis (60 Shore A) wurden Untersuchungen
zur Charakterisierung von mechanischen und thermischen Eigenschaften durchgeführt. Beide
stellten sich als signifikant von der Temperatur abhängig heraus. Gleichzeitig zeigte sich bei
Untersuchungen mit paralleler Messung des Infrarotspektrums der Probenoberfläche, dass
die Eigenerwärmung des Materials unter dynamischer Belastung sehr stark ausgeprägt ist,
sodass sich die Materialeigenschaften auch ohne äußere Temperaturänderung während des
Einsatzes stark verändern können. Untersuchungen zur Lebensdauer des Materials wurden
an Hourglass-Proben sowie an verschiedenen Bauteilproben vorgenommen. Auch hier zeigte
sich für die Lebensdauer eine sichtbare Abhängigkeit von der Temperatur.
Um sowohl die Eigenschaftsänderungen, als auch die mit steigender Temperatur verringerte
Lebensdauer berechenbar zu machen, wurde zunächst ein thermoviskoelastisches Materialmodell
entwickelt, welches bidirektional gekoppelt das mechanische und thermische Materialverhalten
wiedergibt. Mit diesem können die Erwärmungen des Materials durch mechanische
Beanspruchungen mittels Finiter-Elemente-Simulation (FE) berechnet werden, wobei sich das
mechanische Verhalten je nach vorherrschender Temperatur verändern kann.
Dieses Materialmodell wurde in eine neue Methode integriert, welche lokale Temperaturen auf
Basis eines sequentiellen Last-Zeit-Verlaufs abschätzen kann. Hierbei werden segmentweise
die aus der FE-Simulation erhaltenen Eigenerwärmungen mit den analytisch berechneten
Temperaturänderungen durch den Austausch mit der Umgebung verrechnet und ein kontinuierliches
Temperaturprofil ermittelt.
Als Gesamtziel wurde ein Konzeptansatz zur temperaturabhängigen Lebensdaueranalyse entwickelt.
Dieser beschreibt das Vorgehen von der experimentellen Materialcharakterisierung
und Wöhlerliniengenerierung, über die FE-Analyse und rechnerische Temperaturabschätzung,
bis hin zur temperaturabhängigen Schadensakkumulation. Abschließend wurde das Konzept
anhand der Hourglass-Probe validiert und beispielhaft für die Lebensdaueranalyse eines Elastomerlagers
angewandt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.