Schlauch: Charakterisierung und Modelierung von faserverstärktem Elastomer
Unser Kunde machte FE-Berechnungen eines Schlauches. Dabei handelte es sich um Modelle in 3D in großen Deformationen und mit Kontakt. Dafür benötigte er ein Materialmodell. Bei dem Material handelte es sich um einen Elastomer, der mit einigen Faserlagen verstärkt war.
Also entwarfen wir zuerst eine zweckmäßige Testmatrix. Dann entwickelten wir Proben und präparierten sie aus dem Schlauch. Zur Charakterisierung des Elastomer-Basismaterials verwendeten wir Zug-und Druckproben. Zum Testen des Verbundwerkstoffs verwendeten wir direkt ein Stück Schlauch.
Da die Wanddicke des Schlauches klein war, mussten wir daraus winzige Druckproben präparieren. Diese kleinen Würfel hatten eine Seitenlänge von kaum mehr als einem Millimeter. Trotzdem gelang es, auch Dehnungsmarken für die Video-Extensometrie zu setzen. Also entwickelten wir einen Versuchsaufbau und führten zyklische Druckversuche durch. Anschließend gingen wir bei den Zugversuchen gleich vor.
Die rote Kurve im Diagramm zeigt das Ergebnis eines zyklischen Zugversuchs. Hier kann man sehen, dass Hyperelastizität und Mullins-Schädigung die wichtigsten Aspekte des Materialverhaltens waren. Außerdem beobachteten wir etwas Viskosität und ein wenig „Setzen“. Also wählten wir ein geeignetes Abaqus Materialmodell aus. Hier entschieden wir uns für eine hyperelastische Funktion, die wir mit Mullins-Schädigung kombinierten. In der Abbildung zeigt die blaue Kurve das Simulationsergebnis mit angepassten Modellparametern.
Nachfolgend charakterisierten wir das Verbundmaterial (blaue Kurve). Auch analysierten wir die Faserlagen im Schlauch. Hauptsächlich betraf das die elastischen Fasereigenschaften, die Volumenanteile und die Faserwinkel. Dazu nahmen wir mikroskopische Bilder auf und vermaßen sie.
Als FE-Modell für den Verbund verwendeten wir 3D-Elemente für den Elastomer und eingebettete Rebar-Elemente für die Faserlagen. Für die Rebar Modellparameter nutzten wir die bereits erwähnten Ergebnisse der Mikroskopie. Die rote Kurve zeigt die Simulationsergebnisse mit dem kompletten FE-Modell des Verbundes.
