Makroskopische Modellierung und numerische Simulation zur Charakterisierung der Riss- und Haltbarkeitseigenschaften verstärkter Elastomerwerkstoffe
Die zunehmende wirtschaftliche Bedeutung elastomerer Materialien in zahlreichen Anwendungsfeldern führt nicht nur zu immer strengeren Sicherheitsanforderungen hinsichtlich der Qualität und Dauerhaftigkeit dieser Produkte, sondern auch zu einer vermehrten Nachfrage nach verlässlichen numerischen Simulationen, welche im Vergleich zu geeigneten Versuchen kostengünstiger und zeitsparender ausgeführt werden können.
Die Qualität der Simulationsergebnisse wird dabei wesentlich von den zugrunde liegenden Material- und Bruchmechanikmodellen bestimmt.
Zentrale Aufgaben der ersten Förderperiode waren daher zum einen die Modellierung der typischen elastomeren Eigenschaften, wie zum Beispiel physikalisch motivierte nichtlineare Elastizität unter großen Verzerrungen, ratenabhängige sowie ratenunabhängige Inelastizität und der damit verbundenen Energiedissipation, und zum anderen die Erweiterung des Konzepts der materiellen Kräfte auf elastomere Werkstoffe mit ihren komplexen konstitutiven Charakteristiken.
Mit den erzielten Ergebnissen sind nun verlässliche Aussagen hinsichtlich der Risssensitivität von Bauteilen aus verstärkten Elastomeren möglich. Darüber hinaus ist die Untersuchung des Rissfortschritts, d. h. des Versagensprozesses, unter realitätsnahen Randbedingungen von wesentlicher Bedeutung.
Für eine verlässliche Abbildung der Rissfortschrittsrichtung muss das makroskopische Modell auch den mikro- und mesomechanischen Strukturen des Werkstoffs Rechnung tragen. Ziel der zweiten Förderperiode ist daher zum einen die Berücksichtigung mikromechanischer Phänomene. Dies beinhaltet u. a. die Modellierung des dynamischen Verhaltens gestreckter Ketten. Zum anderen soll insbesondere der Prozess des Weiterreißens unter Berücksichtigung von beim Rissfortschritt auftretenden Phänomenen, wie zum Beispiel zunehmende Materialschädigung vor der Rissspitze, beschrieben werden. Hierbei steht die Modellierung als diskreter Riss mit Hilfe von kohäsiven Elementen und adaptiven Diskretisierungsstrategien im Vordergrund.
Weitere Aufgaben der zweiten Förderperiode beinhalten die Simulation der Rissausbreitung bei definierten Lastfällen im Vergleich mit Experimenten und die Berücksichtigung unscharfer Eingangsparameter auf Basis der Fuzzy-Set-Theorie.