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Auslegung von Kunststoff- und Elastomerformteilen mittels Finite-Elemente-Simulation

In der vorliegenden Arbeit werden einige Einsatzmöglichkeiten der Finite-Elemente-Methode bei der Auslegung von Kunststoff- und Elastomerformteilen beschrieben und einige Verfahren aufgezeigt, wie sich die Berechnungen werkstoffgerecht durchführen lassen und so eine wertvolle Ergänzung zur konventionellen Auslegungspraxis darstellen.

Bei den kurzglasfaserverstärkten Thermoplastformteilen ist die Simulation der lokal auftretenden Faserorientierungen von primärer Bedeutung zur Berechnung der mechanischen und thermo-mechanischen Formteileigenschaften. So wird an die Ergebnisse der Simulation des Werkzeugfüllvorgangs direkt anknüpfend mit geeigneten mikro- und makromechanischen Berechnungsansätzen und durch Verwendung der Kontinuumstheorie das anisotrope Werkstoffverhalten erfasst und auf die individuellen lokalen Faserhauptorientierungsrichtungen bezogen.

Die unter Berücksichtigung des lokalen (linearen) anisotropen Werkstoffverhaltens durchgeführten Berechnungsbeispiele dokumentieren, dass die Verbindung von Prozesssimulation und Bauteilanalyse auch für aufwendige Praxisformteile möglich und für die Verbesserung der Qualität der Ergebnisse notwendig ist.

Einen zweiten Schwerpunkt bilden mechanische und thermische Analysen von Elastomerformteilen. Die vorgestellten Untersuchungen zur Berechnung von quasistatischen Beanspruchungen lassen die Aussage zu, dass die Verwendung von Materialgesetzen auf der Grundlage der Formänderungsenergiedichte auch in mehrdimensionalen FE-Simulationen zu brauchbaren Resultaten führt. Bei der Berechnung einer komplex gestalteten Druckfeder eines Motorlagers wird sowohl die Federkennlinie als auch das äußere Verformungsbild mit guter Genauigkeit wiedergegeben. Bei den untersuchten Materialgesetzen höherer Ordnung überzeugt das Modell von KILIAN durch eine sehr gute Reproduktion der Grundversuche bis hin zu hohen Verstreckgraden. Mit dem Ansatz von OGDEN werden ähnlich gute Erfahrungen gemacht. Die Vorausberechnung der Temperaturentwicklung in dynamisch beanspruchten Gummiformteilen ist von großer praktischer Bedeutung. Daher wird ein Berechnungsansatz vorgestellt, bei dem das mechanische und thermische Problem entkoppelt gelöst wird.

In einem dritten Schwerpunkt wird am Beispiel zylindrischer Schnappscharniere gezeigt, daß die Statistische Versuchsplanung (DOE) in Verbindung mit den Möglichkeiten moderner Berechnungsmethoden ein wirkungsvolles Mittel darstellt, gezielter technische Formteilgeometrien auszulegen. Es wird insbesondere deutlich, dass nicht-attributive Design-Variablen, welche die Gestalt des Formteils beeinflussen, ohne weiteres in die Betrachtungen einbezogen werden können. Gegenüber der Evolutionsstrategie hat die DOE den großen Vorteil, dass Wechselwirkungseffekte für den Anwender transparent werden sowie die erarbeiteten Korrelationen in Form von Modellgleichungen gespeichert werden können und später leicht nutzbar sind.

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 Ulrich Mohr-Matuschek

Ulrich Mohr-Matuschek
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Informationen

Freie Schlagwörter: Integrative Simulation, Füllsimulation, Strukturanalyse, FEM, kurzglasfaserverstärkte Formteile, Faserorientierung, anisotropes Bauteilverhalten, Mikromechanik, Halpin-Tsai, Elastomerformteile, Materialmodell, Mooney-Rivlin, Kilian, Ogden, Verlustenergie, Temperaturfeld, Statistische Versuchsplanung, modellgestützte Geometrieoptimierung
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Georg Menges
Erscheinungsjahr: 1991
Anbieter: Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

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