Projekt_Elasto-Opt

Elasto-Opt

Erfassung, Simulation und Bewertung der thermomechanischen Schädigungsmechanismen von Elastomerbauteilen unter dynamischen mechanischen Beanspruchungen

Im Rahmen des BMWi geförderten Projektes »Elasto-Opt«, untersuchte das Fachgebiet SzM gemeinsam mit dem Institut für Mechanik (Prof. Dr.-Ing. habil. Alexander Lion) der Universität der Bundeswehr in München den Einfluss der Temperatur auf Materialeigenschaften und Lebensdauer von Elastomeren.

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.

Der vollständige Abschlussbericht dieses Forschungsvorhabens ist über die Geschäftsstelle der FKM erhältlich.

Das IGF-Vorhaben 400 ZN der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.