Mechanisches Verhalten und numerische Simulationen von TPE im Vergleich zu Elastomeren O. Haeusler & H. Baaser Computer Aided Engineering TPE@DKT / Nürnberg, 3. Juli 2012
Agenda Materialverhalten aus Ingenieur-Sicht Vergleich Elastomere TPE-Werkstoffe Eigenschaften TPE Werkstoffmodelle Standard-Werkstoffmodelle Erweiterte Werkstoffmodelle FEM-Beispiele: Dichtungsringe, Faltenbalg
Agenda Materialverhalten Vergleich Elastomere TPE-Werkstoffe Eigenschaften TPE Werkstoffmodelle Standard-Werkstoffmodelle Erweiterte Werkstoffmodelle FEM-Beispiele
Stress [MPa] Statisches Werkstoffverhalten relaxiert 8 7 6 TPE Elastomer 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 techn. Strain [ % ]
Spannung [MPa] Gleichgewichtskurven ( relaxiert ) Zugversuch 8 7 6 Belastungs-Kurve 5 4 3 2 1 0 Entlastungskurven 0 10 20 30 40 Dehnung [ % ]
Agenda Materialverhalten Vergleich Elastomere TPE-Werkstoffe Eigenschaften TPE Werkstoffmodelle Standard-Werkstoffmodelle Anleihen aus Plastizitätstheorie Erweiterte Werkstoffmodelle FEM-Beispiele
Spannung [MPa] Vorhersage eines Plastizitätsmodells 8 7 6 Experiment Metall-Plastizitäts-Modell 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Dehnung [ % ]
Spannung [MPa] Vorhersage des Zugversuchs (Werkstoffparameter an Zugexperiment angepasst) 7 6 Experiment TPE-Modell 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Dehnung [ % ]
Modellvorstellung zur Beschreibung der Inelastizität Ausgangszustand Deformation F Momentanzustand Zwischenkonfiguration inelastische Deformation F i elastische Deformation F e Multiplikative Zerlegung des Deformationsgradienten analog zu Metall: vonmises-plastizität mit isotroper Verfestigung k 0 k 0 s
Kalibrieren der Materialparameter Excel-Auswertung
Agenda Materialverhalten Vergleich Elastomere TPE-Werkstoffe Eigenschaften TPE Werkstoffmodelle Standard-Werkstoffmodelle Erweiterte Werkstoffmodelle FEM-Beispiele
Statische FEM-Berechnung (Nutring) Einbau Dichtungsring (Gehäuse./.Welle) Druckbelastung auf p = 200 bar p Entlastung auf 0 bar Ausbau
@ 200 bar Verformung 1. Hauptspannung inelast. Dehnung
Verformung nach Ausbau
Contact stress [MPa] Kontaktspannung 40 35 30 25 0 bar, vor Belastung 200 bar 0 bar, nach Belastung 20 15 10 5 s 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Position [mm]
Spaltextrusion eines Nutrings Material: PU 0.1mm 0.1mm Verformte Geometrie Lastfall Einbau max. Hauptdehnung e max = 54%
Spaltextrusion eines Nutrings p Detailansicht Spaltextrusion Verformte Geometrie Lastfall p=200 bar max. Hauptdehnung Legende skaliert [0, 0.8]
Statische FEM-Berechnung (Faltenbalg) Lastgeschichte: Einbau (radiales Aufweiten) Axiale Einfederung: 80mm Entlastung
Statische FEM-Berechnung (Faltenbalg) Einbau (radiales Aufweiten) Axiale Einfederung: 80mm Entlastung 1. Hauptspannung in MPa
Bleibende Verformungen nach dem Ausfedern Unverformte Geometrie 8.5mm Verformte Geometrie
Zusammenfassung Mechanisches Werkstoffverhalten TPE-Werkstoffe im Normalfall steifer als Elastomere Häufig größere bleibende Deformation ( Inelastizität ) bei TPE Werkstoffmodelle Standard-Plastizitätsmodelle: keine Abbildung des nichtlinearen Verhaltens Elastischer Bereich: spezielle Werkstoffmodelle! ABAQUS Anwendungsbeispiele Berücksichtigung des Werkstoffverhalten bei Bauteilsimulationen Reduzierung der Kontaktspannung bleibende Verformung von Bauteilen 21
Danke für Ihre Aufmerksamkeit! apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Herbert Baaser Senior Engineer Physical Material Properties & Life Cycle Freudenberg Forschungsdienste KG Fon: 06201 / 80-6882 Fax: 06201 / 88-3084 E-Mail: Herbert.Baaser@Freudenberg.de 22