FE-Modellbildung und Simulation hyperelastischen Materialverhaltens

Titelangaben

Hüter, Florian:
FE-Modellbildung und Simulation hyperelastischen Materialverhaltens.
2024
Veranstaltung: 25. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag , 11.09.2024 , Bayreuth.
(Veranstaltungsbeitrag: Kongress/Konferenz/Symposium/Tagung , Vortrag )

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Abstract

Technische Elastomerbauteile haben sowohl im Maschinen- und Anlagenbau als auch in der Fahrzeugtechnik und der Konsumgüterindustrie eine große Bedeutung. Die Anforderungen an die Auslegung von Elastomerbauteilen steigen zunehmend, um Optimierungspotenziale kon-sequent ausschöpfen zu können. Eine zentrale Herausforderung liegt dabei in der Berücksich-tigung des komplexen, nichtlinear-elastischen Materialverhaltens von Elastomeren, für dessen Beschreibung sich insbesondere hyperelastische Materialmodelle eignen. Durch die Wahl geeigneter Modellierungsstrategien können das Bauteilverhalten detailliert untersucht und Ansatzpunkte zur Erschließung von Optimierungspotenzialen identifiziert werden. Für den er-folgreichen Einsatz hyperelastischer Materialmodelle in der FEM sind fundierte Kenntnisse über die Modellvorhersagbarkeit und Kalibrierbarkeit der verschiedenen Materialmodelle, der FEM und deren Interaktion mit den Materialmodellen unerlässlich. Die meisten in kommerziellen FE-Programmen verfügbaren Materialmodelle wie MOONEY-RIVLIN, YEOH, OGDEN und ARRUDA-BOYCE sind nicht in der Lage, die zur Kalibrierung verwendeten Messdaten exakt zu reproduzieren, sondern approximieren diese aufgrund ihrer mäßigen Mo-dellflexibilität mehr oder weniger genau. Der Wunsch, die daraus resultierenden Modellie-rungsfehler zu eliminieren, führte Anfang der 2000er Jahre zur Entwicklung neuartiger Materi-almodelle wie dem MARLOW- oder dem SUSSMAN-BATHE-Modell. Diese basieren im Gegensatz zu den klassischen Materialmodellen nicht auf einem Approximationsansatz, sondern auf ei-nem Interpolationsansatz zur Beschreibung der vorgegebenen Spannungs-Dehnungs-Kurven des Elastomers. Durch ihren speziellen Ansatz sind sie in der Lage, die vorgegebenen Messda-tensätze exakt zu reproduzieren und gleichzeitig physikalisch sinnvolle Vorhersagen für belie-bige andere Verformungen zu treffen. Aufbauend auf dem aktuellen Stand der Forschung wird ein interpolationsansatzbasiertes hy-perelastisches Materialmodell vorgestellt, das die Kompressibilität von Elastomeren sowie den Einfluss der Mehrachsigkeit auf das elastische Verhalten berücksichtigt. Darüber hinaus werden die Herausforderungen bei der FEA von Elastomerbauteilen, die im Zusammenhang mit dem meist quasi-inkompressiblen Materialverhalten von Elastomeren auftreten, adressiert und geeignete Modifikationen der klassischen Elementformulierung auf-gezeigt. Dazu gehören die reduzierte Integration mit Hourglass-Stabilisierung, die J-Bar-Methode sowie die Hybridelementformulierung. Ein Anwendungsbeispiel demonstriert die Eignung des neuen Materialmodells für den prakti-schen Einsatz in der FEA von Elastomerbauteilen.