Auswahl des geeigneten Materialmodells für die Festigkeitsberechnung von Gummi und Kunststoffen (hyperelastische Materialien)
Die Auswahl des richtigen Materialmodells für die FE-Analyse von Gummi, Kunststoffen oder ähnlichen hyperelastischen Materialien hängt nicht nur von der Höhe der zu erwartenden Dehnungen während der Simulation ab, sondern auch von den zur Verfügung stehenden Materialdaten. Für hohe Dehnungen greift man, falls möglich auf das Mooney-Rivlin-Modell zurück, da das Neo-Hooke-Modell diese unter Umständen fehlerhaft abbildet. Gerade im Rahmen von Voruntersuchungen während der Prototypenentwicklung liegen nur wenige Versuchsdaten vor, die das Material für die FEM-Berechnung des entsprechenden Kunststoffes oder Elastomers hinreichend genau beschreiben. Anhaltspunkte für die Auswahl des Materialmodells sind unter Anderem:
- Höhe der zu erwartenden Dehnungen
- Angaben des Materialherstellers (z.B. Shore-Härte)
- vorliegende Versuchsdaten bzw. Materialtests
FE-Analyse von Gummi und Kunststoffen mit Hilfe des Mooney-Rivlin-Materialmodells
Das Mooney-Rivlin-Materialmodell ist ein komplexeres nichtlineares Materialmodell. Es wird mit bis zu 9 Parametern definiert und bildet auch hohe Dehnungen gut ab. Es findet unter Anderem Verwendung bei der FEM-Berechnung von Gummiteilen wie Dichtungen, Membranen, Reifen, Schläuchen, aber auch Federn und Gummilagern. Bei der Anwendung dieses Materialmodells ist darauf zu achten, dass Messdaten und Messbedingungen zur Materialcharakterisierung, ähnlich dem späteren Beanspruchungszustand des abzubildenden Bauteils sind. Kundenseitig definierte Parameter gleichen wir anhand einem Kurvenfit mit Versuchsergebnissen an, bevor sie in der FE-Analyse des jeweiligen Kunststoff- oder Gummibauteils Verwendung finden.
FEM-Berechnung von Gummi und Kunststoffen mit Hilfe des Neo-Hooke-Materialmodells
Das wesentlich einfachere Neo-Hooke-Materialmodell erlaubt die Charakterisierung des hyperelastischen Materials mit nur zwei Parametern. Diese lassen sich häufig, gerade im Rahmen einer Vorauslegung aus den Datenblättern der Hersteller ableiten oder umrechnen. Ist beispielsweise für das Material eine Shore-Härte angegeben, so lassen sich daraus leicht die Koeffizienten zur Beschreibung des Elastomers zumindest überschlägig bestimmen. Das Neo-Hooke-Modell zur Festigkeitsberechnung von Gummi oder Konststoffmaterialien ist allerdings nur für kleinere Dehnungen anwendbar. Für große Dehnungen > 200 % ist eher das Mooney-Rivlin-Materialmodell empfehlenswert.