Untersuchung des viskoelastischen Materialverhaltens eines gefüllten Elastomers unter multiaxialer Deformation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260169457

Heutzutage spielen gefüllte Elastomere eine wichtige Rolle in zahlreichen industriellen Anwendungen. Die Vielzahl an verschiedenen Kombinationen von Elastomermatrix und Füllerpartikeln erlaubt es, die Eigenschaften des Materials gezielt auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung einzustellen. Dies zeigt die Relevanz der Materialklasse gefüllte Elastomere auf. In unserem Projekt wird ein repräsentatives inkompressibles, Ruß gefülltes EPDM charakterisiert. Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass eine Transfermöglichkeit des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs für verschiedene Elastomer-Füller-Kombinationen gegeben ist. Die Grundlage bildet ein makroskopisches, phänomenologisches Modell, basierend auf einem Reihenansatz der Invarianten eines Spannungsmaßes. Frühere Betrachtungen des quasistatischen Verhaltens haben bereits gezeigt, dass eine Beschreibung, basierend auf uniaxialen Experimenten in der Regel nicht die Möglichkeit bietet allgemeine biaxiale Deformation abzubilden. Ein Modellansatz, welcher nur auf der ersten Invarianten beruht reicht dazu nicht aus. Multiaxiale Simulationen auf der Grundlage einer uniaxialen Modellbildung sind dabei nur begrenzt von Nutzen, selbst wenn das Augenmerk zunächst lediglich auf das quasistatische Verhalten gelegt wird. Wenn man reale Bauteile anschaut, sieht man, dass bei einer aufgebrachten Einzellast auf das Bauteil aufgrund der komplexen Geometrie der Konstruktion dennoch komplexe Deformationszustände im Material entstehen. Dies resultiert bei der Lastaufbringung zudem in einer lokalen Variation der Deformationsraten. Daher spielt für viskoelastische Materialien mehraxiale Deformation eine wichtige Rolle. Gerade für gefüllte Elastomere ist Viskoelastizität charakteristisch und stark ausgeprägt. Eine möglichst allgemeine Materialbeschreibung bezüglich Mehraxialität erfordert allerdings auch einen umfassenden, experimentellen Datenpool. Daher wird ein biaxialer Zugversuch eingesetzt, der sowohl quasistatisches Verhalten als auch ratenabhängige Prozesse betrachtet. Die Anzahl der Experimente und die für gefüllte Elastomere charakteristischen langen Relaxationszeiten führen zu einer komplexen Versuchsführung. Zu diesem Zweck wird ein neuer experimenteller Prozess entwickelt, der genügend Informationen für das Materialmodell bereitstellt, allerdings kein Übermaß. Unser Ziel ist es, so wenig wie möglich Experimente durchführen zu müssen, allerdings gerade so viel wie nötig. Diese müssen im Modell für eine spätere Parameteridentifikation mit einbezogen werden. Dieses Modell soll so allgemein wie möglich gehalten werden, um diese mehraxialen Abhängigkeiten abbilden zu können. Die notwendige Form des Modellansatzes um diese allgemeingültige Beschreibung, inklusive Zeitabhängigkeit, zu gewährleisten wird untersucht. Die numerische Umsetzung erfolgt in einer Open-Source-Umgebung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen