Modelling of the chemo-thermomechanical ageing of elastomers based on experimental investigations
Final Report Abstract
Die chemische Alterung ist für technische/industrielle Anwendungen von Elastomeren ein entscheidendes Qualitätskriterium. So kann davon ausgegangen werden, dass das mechanische Verhalten von Strukturbauteilen, die Elastomere enthalten (z.B. Motorlager, Dichtungen, Schläuche, etc.) abhängig von der chemischen Alterung ist. Durch das entwickelte kontinuumsmechanische Materialmodell kann die chemische Alterung homogen bzw. inhomogen berechnet und vorhergesagt werden. Dadurch steigert sich die Qualität im Entwicklungsprozess der genannten Bauteile. Im Projekt wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen zu dem mechanischen und Alterungsverhalten von NBR durchgeführt. Ein thermodynamisch konsistentes Modell im Rahmen der finiten Thermoviskoelastizität wurde unter Berücksichtigung des Diffusionsreaktionsverhaltens von Sauerstoff und des Einflusses der Antioxidantien formuliert. Das Konzept der inneren Variablen wurde verwendet, um den Einfluss der Alterung auf die Materialeigenschaften zu modellieren. Alle Modellparameter wurden mit Hilfe verschiedener experimenteller Methoden an gealterten und ungealterten NBR-Proben identifiziert. Dabei wurde ebenfalls der Einfluss diverser Umgebungsmedien (Luft, Öl) berücksichtigt. Die Materialparameter, die sich auf das Alterungsmodell und die Diffusionsreaktionsgleichungen beziehen, wurden ebenfalls erfolgreich angepasst. Die Ergebnisse der einzelnen Simulationen stimmen sehr gut mit den zugrunde liegenden Messungen überein. Anschließend wurden die resultierenden partiellen Differentialgleichungen, Evolutionsgleichungen und konstitutiven Gleichungen des zu lösenden Mehrfeldproblems in einer kommerziellen FE-Software implementiert. Schließlich wurde der kontinuumsmechanische Modellierungsansatz erfolgreich validiert und so kann mit diesem Modell die chemo-thermomechanische Alterung von Elastomeren simuliert und damit der Einfluss auf die Materialeigenschaften in Ort und Zeit dargestellt werden, was für eine Lebensdauervorhersage der Gummikomponenten notwendig sein kann.
Publications
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