Beschreibung der viskoelastischen mechanischen Eigenschaften, der Betriebsfestigkeit und des Bruchverhaltens von Elastomerbauteilen mit der Finite-Elemente-Methode

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) erlaubt bereits zu frühen Phasen des Konstruktionsprozesses Aussagen bezüglich des späteren Bauteilverhaltens. Die Güte der FE-Berechnungen ist aber eng an die realistische Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens über Materialmodelle geknüpft. Speziell in den letzten Jahren sind für Elastomere Materialmodelle entwickelt worden, die einen physikalisch begründeten Zugang zum Werkstoffverhalten anbieten. Die vorliegende Arbeit behandelt verschiedene solcher Modelle und implementiert sie über Schnittstellen in kommerzielle FE-Softwarepakete. Anschließend wird die Vorhersagegenauigkeit der Modelle an einem Gummi-Metall-Motorlager analysiert. Da diese Modelle nur den elastischen Teil des insgesamt nichtlinear-viskoelastischen Werkstoffverhaltens der Elastomere abbilden, werden sie zur Beschreibung viskoelastischer Effekte erweitert. So wird ein nichtlinar-viskoelastisches Materialmodell entwickelt und erfolgreich angewendet, welches dem amplitudenabhängigen Werkstoffverhalten der Elastomere gerecht wird. Aus den FEM-Berechnungen lassen sich aber Aussagen zur Betriebsfestigkeit und dem Bruchverhalten von Elastomerbauteilen nur unsicher ableiten. Die Arbeit entwickelt daher zur Vorhersage der Betriebsfestigkeit ein Wöhlerkurvenkonzept. Auf der Basis von Werkstoff-Wöhlerkurven, die an einfachen Probekörpern bestimmt werden können, und FEM-Berechnungen wird die Betriebsfestigkeit eines Gummi-Metall-Lagerelements in befriedigender Genauigkeit abgeschätzt. Die Hauptbestandteile dieses Wöhlerkurvenkonzeptes sind neben einer speziellen Versuchsmethodik die Konstruktion eines geeigneten Probekörpers und die Auswahl einer werkstoffgerechten Äquipotentialbedingung. Aussagen zum Bruchverhalten von Elastomerbauteilen werden mittels der nichtlinearen Bruchmechanik über die Kennwerte der Rißenergie und des J-Integrals getroffen. Es wird darauf eingegangen, mit welchem Versuchsaufbau die jeweiligen Kennwerte der Bruchmechanik bestimmt werden können. Für quasistatische Belastungen wird als Kennwert die kritische Rißenergie betrachtet. Sie erlaubt gute Vorhersagen des Rißwachstumsbeginns für Probekörper und ein Gummi-Metall-Motorlager. Für Aussagen bezüglich der Rißwachstumsgeschwindigkeit bei dynamisch/zyklischer Belastung werden unterschiedliche Beschreibungsansätze analysiert. Es wird festgestellt, daß insbesondere die Crack-Layer-Theorie für Probekörpergeometrien eine gute Vorhersagegenauigkeit liefert.