Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Virtuelle Lebensdauerprognose für Elastomerbauteile unter Berücksichtigung der Materialbeanspruchung

Die Lebensdauerprognose von Elastomerbauteilen stellt Hersteller, oft kleine und mittlere Unternehmen, vor große Herausforderungen, da eine genaue Kenntnis der Belastungssituation benötigt wird. Bei Elastomeren sind jedoch nicht nur die Materialbeanspruchungen aufgrund der von außen einwirkenden Kräfte lebensdauerbestimmend, sondern auch Beanspruchungen die aus Temperatur- und Medieneinflüssen resultieren. Belastungskollektive und Mittellastlage aufgebrachter Belastungen sind zusätzliche Einflüsse, die zur Schädigung des Bauteils und damit zur Änderung der Materialeigenschaften beitragen. Kunden der Hersteller können häufig die Einsatzbedingungen nicht ausreichend spezifizieren. Darüber hinaus kann aufgrund des versuchstechnischen Aufwandes nicht für jede Belastungssituation Lebensdauernachweise erfolgen. In diesem Vorhaben soll auf der Basis einer rechnergestützten Simulation die Grundlage für virtuelle Lebensdauerprognosen von Elastomerbauteilen entwickelt werden. Dadurch wird es nicht nur möglich sein in Abhängigkeit der spezifischen Belastungssituation die Lebensdauer des Bauteils abzuschätzen, sondern auch bereits in der Produktentwicklung Geometrieoptimierungen hinsichtlich einer längeren Laufzeit durchzuführen. Die Lebensdauer soll anhand des am Lehrstuhl entwickelten nichtlinearen Schadensakkumulationsmodells (nlSAM) für beliebige dynamische Belastungsszenarien prognostiziert werden. Dabei soll die Lebensdauer für ein Bauteil auf Basis lokaler Schädigungsgrade berechnet werden. Hierfür werden die Beanspruchungen einzelner Netzelemente durch FE-Simulationen berechnet und zur Prognose mit dem modifizierten nlSAM herangezogen. Auf diese Weise können lokale Schädigungsgrade bestimmt werden, in Abhängigkeit derer es zu einer Anpassung der Materialparameter des Simulationsmodells nach jeder Simulationsschleife kommt. Durch bereits am Lehrstuhl durchgeführte Bauteilversuche wird ein Ansatz zur Übertragung der lokalen Erkenntnisse auf das globale Bauteil realisiert.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Vorhaben wurde auf der Basis einer rechnergestützten Simulation die Grundlage für virtuelle Lebensdauerprognosen von Elastomerbauteilen entwickelt. Dadurch wurde nicht nur die Abschätzung der Lebensdauer in Abhängigkeit der spezifischen Belastungssituation des Bauteils, sondern auch die Durchführung von Geometrieoptimierungen bereits in der Produktentwicklung hinsichtlich einer längeren Lebensdauer ermöglicht. Die virtuelle Lebensdauerprognose kombiniert ein schädigungsabhängiges Materialmodell mit einem nichtlinearen Schadensakkumulationsmodell (nlSAM). Dabei wird die Lebensdauer für ein Bauteil auf Basis lokaler Schädigungsgrade berechnet. Das bereits in FVA 435 III validierte nlSAM wurde daher von dem globalen Bauteil auf ein einzelnes Element eines Simulationsmodells auf Finite-Elemente(FE)-Ebene übertragen. Dadurch wird nicht mehr die äußere Belastung als Eingangsgröße gewählt, sondern die elementspezifische Materialbeanspruchung. Auf Basis dieser lokalen Elementschädigung werden die Materialmodellparameter eines jeden Elements während eines Iterationsschritts angepasst, wodurch in einer quasistatischen FE-Simulation ein dynamisches System simuliert wird. Die Schrittweite der Iterationen wird durch die auf globaler Bauteilebene definierte Steifigkeitsdegradation bestimmt, die aus einem Ausfallkriterium erfolgt. Die Kalibrierung der virtuellen Lebensdauerprognose erfolgt anhand ausgewählter Lebensdauerversuche am realen Bauteil, indem Schädigungsverläufe für das nlSAM und schädigungsabhängige Hysteresen für das Materialmodell herangezogen werden. Die virtuelle Lebensdauer erlaubt eine Übertragung der kalibrierten Methode auf geometrieähnliche Bauteile, die aus derselben Materialcharge gefertigt wurden. Aufgrund der Berücksichtigung der Beanspruchungshistorie mechanischer Natur ist sie zudem für Elastomere besonders geeignet und liefert weiteres Forschungspotenzial hinsichtlich dem übergeordneten Ziel der virtuellen Lebensdauerprognose unter Reallast.