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Bruchmechanik zur Lebensdauer- und Schadensanalyse von Elastomerbauteilen

Wozu Bruchmechanik und wann kommt sie zum Einsatz?

Die Bruchmechanik basiert auf der begründeten Annahme, dass jedes reale Bauteil über Materialinhomogenitäten verfügt. Diese Inhomogenitäten können materialspezifischer Art sein (z.B. Einschlüsse, Russpartikel, Russagglomerate) oder infolge der Herstellung (z.B. Poren, Oberflächenrauhigkeiten) sowie auch durch Alterung (z.B. Elefantenhaut) in das Bauteil eingebracht werden.

Bei einer äußeren Belastung kann es zu einer Ausbreitung eines Risses ausgehend von diesen Bereichen kommen. Der Rissfortschritt erfolgt zunächst auf einer zumeist nicht sichtbaren mikroskopischen Ebene. Durch ein Fortschreiten des Risses oder auch dem Zusammenwachsen mehrerer Mikrorisse entsteht dann ein makroskopisch sichtbarer Riss. Aber selbst in dieser Phase kann bei einem kontrollierten und möglichst präzise analysierten Risswachstum das Potential des Bauteils bis hin zu einer zulässigen Endrisslänge vollständig ausgeschöpft werden.

Bei der Auswahl einer bedarfsorientierten Mischungszusammensetzung des Elastomerherstellers kann die bruchmechanisch ermittelte Weiterreißeigenschaft ein zentrales Bewertungskriterium sein. Eine entscheidende Einflussnahme auf die spätere Bauteillebensdauer erfolgt bereits in diesem Stadium. In der Bauteilentwicklungsphase muss dann zu einem möglichst frühen Zeitpunkt eine Bewertung hinsichtlich der zulässigen Lebens- bzw. Einsatzdauer des Bauteils erfolgen. Aber auch bei einer Schadensanalyse ist eine detaillierte Aussage über den Ausgangsort des Versagens und den Schädigungsprozess oftmals notwendig. In diesem Zusammenhang sind die zentralen Fragestellungen der Bruchmechanik:

Wie ist die Weiterreißeigenschaft der Elastomermischung?
Wo und aus welchem Grund entsteht ein Anriss im Bauteil?
Breitet sich ein Riss ausgehend von einer Fehlstelle oder auch ein makroskopisch sichtbarer Anriss unter einer statischen oder zeitlich veränderlichen Betriebslast aus?
Wie und mit welcher Geschwindigkeit breitet sich der Riss aus?
Wie beeinflussen die Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur, Ozon) und die Frequenzen der Belastung den Rissfortschritt?
Wann erfüllt das Bauteil die geforderten Eigenschaften nicht mehr?
Zu welchem Zeitpunkt kommt es zum Versagen des Bauteils?

Die Anwendung bruchmechanischer Konzepte bietet hier die Möglichkeit sowohl mit experimentellen als auch numerischen Untersuchungsmethoden präzise und aufschlussreiche Antworten auf diese Fragen zu geben.

Worauf haben wir uns innerhalb der Bruchmechanik fokussiert?

Um dem Anspruch einer betriebsfesten Bauteilbemessung mit Hilfe bruchmechanischer Methoden gerecht zu werden, befassen wir uns mit der Identifikation geeigneter Schädigungsparameter. Damit soll die Übertragbarkeit experimentell ermittelter Rissfortschrittsgrößen auf die komplexen, am realen Bauteil vorhandenen Beanspruchungszustände sichergestellt werden. Nur so können präzise Aussagen zum Versagensort und einer möglichen Einsatzdauer getroffen werden. Der Einsatz der Finite-Elemente-Methode zur rechnerischen Lebensdaueranalyse auf Basis von Rissfortschrittsberechnungen ist hierbei ein wesentliches Element.

Die Weiterentwicklung der nichtlinear-elastischen Bruchmechanik durch experimentell erzielte Ergebnisse und deren Integration in die numerische Berechnungsmethodik ist das Ziel unserer Arbeiten. Somit kann ein notwendiger Beitrag zur Verbesserung der rechnergestützten Lebensdaueranalyse von Elastomerbauteilen geleistet werden. Von zentraler Bedeutung für die Ergebnisqualität ist auch die Integration geeigneter Materialmodelle in den bruchmechanischen Berechnungsprozess mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Hier steht der Einsatz praxisrelevanter Lösungen im Vordergrund, die jedoch wesentliche elastomerspezifische Eigenschaften mit berücksichtigen müssen.

Was bieten wir unseren Kunden zur bruchmechanischen Lebensdauer- und Schadensanalyse von Elastomerbauteilen?

Wir bieten Ihnen umfassende und qualifizierte Dienstleistungen zur betriebfesten Elastomerbauteilbemessung auf Basis bruchmechanischer Methoden an:

Vergleichende Untersuchungen der Weiterreißeigenschaften unterschiedlicher Mischungszusammensetzungen als ein Kriterium bei Ihrer Auswahl einer anwendungsspezifischen Elastomermischung

Rechnergestützte Lebensdauer- und Schadensanalysen als „All-In-One“-Lösung

experimentelle Rissfortschrittsuntersuchungen an Proben und Bauteilen
Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FE-Software Abaqus©) zur numerischen Rissfortschrittsuntersuchung
Anwendung existierender und weiterentwickelter Berechnungsansätze der nichtlinear-elastischen Bruchmechanik