Simulation von Elastomerbauteilen

Die typischerweise verwendeten Prüfeinrichtungen werden unter dem Punkt Charakterisierung von Elastomerbauteilen beschrieben. Je nach Lagertyp (reines Elastomerlager oder Hydrolager) werden mit den gemessenen Daten unterschiedliche Modelltypen parametriert. Ziel ist eine möglichst gute Abbildung des realen Übertagungsverhaltens der Lagerkomponente über den gesamten Frequenz- und Amplitudenbereich. Die obere Abbildung zeigt einen möglichen Modellansatz für ein Hydrolager.

Die so parametrierten und verifizierten Modelle der Elastomerkomponenten können dann in die Simulation des Gesamtsystems (z.B. die eines kompletten Fahrzeuges, wie es in der unteren Abbildung modelliert ist) eingebunden werden.

Unter Nutzung geeigneter Werkstoffmodelle und nach Ermittlung der notwendigen Werkstoffkennwerte können Elastomerbauteile auch mittel der Finite-Element-Methode simuliert werden. Hierdurch lassen sich das Übertragungsverhalten als auch die zu erwartende Schwingfestigkeit des Bauteils prinzipiell berechnen. Es soll hierbei nicht verschwiegen werden, dass die erzielte Ergebnisgüte noch nicht den Standard der typischen FEM Berechnungen an Metallbauteilen erreicht. Grund hierfür ist das deutlich komplexere Materialverhalten aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften des Grundmaterials, der dämpfenden Werkstoffeigenschaften und der damit verbundenen Erwärmung sowie einer komplexen Schädigungsmechanik. Ein in einem Forschungsprojekt erarbeitetes Konzept zur temperaturabhängigen Lebensdauerabschätzung von Elastomerbauteilen ist in der Abbildung dargestellt.

Für die modellbasierte Auslegung und Optimierung komplexer schwingungstechnischer Systeme im vibroakustischen Frequenzbereich werden Modelle mit physikalischen Parametern eingesetzt. Hierfür hat sich eine Beschreibung auf Basis fraktionaler Ableitungen bewährt. Dieser Ansatz weist eine hohe Recheneffizienz auf, die insbesondere für die Systemsimulation aktiver und passiver Maßnahmen zur Schwingungsminderung im Zeitbereich benötigt wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Modellierung besteht darin, dass die Parametrierung mittels der beiden Kennwerte Steifigkeit und Verlustwinkel erfolgt. Diese Werte können direkt aus der experimentellen Charakterisierung übernommen werden. Damit bietet das LBF ein ganzheitliches Leistungsangebot von der experimentellen Charakterisierung bis zur numerischen Beschreibung. Gerne beraten und unterstützen wir auch Sie bei der Modellierung und Simulation dynamischer Systeme.

Das komplexe Zusammenspiel von mechanischen und elektrischen Effekten bei dielektrischen Elastomeren erfordert in der Regel numerische Simulationsmodelle für detaillierte Untersuchungen, da analytische Ansätze nur mit vereinfachten Annahmen lösbar sind. Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF wird insbesondere mit multiphysikalischen Finite-Elemente-Modellen gearbeitet, um das elektromechanische Verhalten dielektrischer Elastomere bei komplexen Geometrien zu berechnen. Hierbei werden sowohl Modelle mit mikroskopisch feinem Detaillierungsgrad auf Schichtebene als auch makroskopische Modelle mit homogenisierten Materialkennwerten eingesetzt. Mit Hilfe solcher Modelle lassen sich gezielt Optimierungen zum Beispiel der Elektrodenstruktur durchführen und dielektrische Elastomerwandler anwendungsspezifisch hinsichtlich Schichtdicke, Materialeigenschaften, Geometrie und mechanischer Randbedingungen optimieren.