Aachen, 30.08.2016

Rissbildung bei Kunststoffprodukten durch Benetzung mit Flüssigkeiten

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf das vergrößerte Rissbildungspotential bei Kunststoffprodukten durch die Benetzung mit Flüssigkeiten ein.

Bei den verschiedenen Kunststoffgruppen (Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste) zeigen insbesondere die Thermoplaste eine signifikante Gefügeänderung durch eine Benetzung mit Flüssigkeiten. Einen starken Einfluss auf die Kristallitstruktur des Gefüges durch Benetzung zeigen dabei die Polyethylene. Daher wird nunmehr auf die kritische Benetzung von Polyethylen mit Flüssigkeiten näher eingegangen.

Kunststoffe aus Polyethylen werden in der Verpackungsindustrie, der Medizintechnik, der Bauindustrie und anderen Bereichen eingesetzt, die die besonderen Eigenschaften dieses Kunststoffs (niedrige Dichte, gute Verarbeitbarkeit, günstiger Materialpreis) nutzen.

Bei der Auslegung von Kunststoffprodukten aus Polyethylen ist die besondere Empfindlichkeit gegenüber einer Benetzung mit Flüssigkeiten (Wasser, Öle, Chemikalien u.a.) zu berücksichtigen. Aufgrund der Benetzung findet eine Quellung des Kunststoffs und eine damit verbundene Rissförderung statt, die insbesondere durch den Kristallinitätsgrad maßgeblich bestimmt wird. Während Polyethylene mit einer hohen Dichte (PE-HD) respektive Kristallinitätsgrad beständiger sind, nimmt die Rissförderung durch Benetzung bei niedrigeren Dichten (PE-LD ) stärker zu. Noch höhere Dichten liegen beim PE-UHMW und noch niedrigere Dichten beim PE-LLD vor. Aufgrund der Rissförderung durch Netzmitteleinfluss beginnt die Rissbildung bereits weit unterhalb der zulässigen Werkstoffbeanspruchungen ohne Netzmitteleinfluss.

Mittels FEM-Simulationen können die Spannungen im Kunststoffprodukt ermittelt werden. Dabei sind die entsprechenden Randbedingungen für die FEM-Berechnungen festzulegen. Das sind beispielsweise Lagerungsbedingungen, Lasten und Temperaturwechsel. Die materialspezifischen Parameter wie Elastizitätsmodul und Poissonzahl sind bei einer rein linear-mechanischen FEM-Simulation zusätzlich zu definieren. Bei nichtlinearen FEM-Berechnungen sind die nichtlinearen Materialeigenschaften und Randbedingungen zu berücksichtigen.

In einem Kundenprojekt wurden die mechanischen Spannungen eines medizinischen Produktes aus LLDPE zur Aufnahme von DNA-Proben aufgrund der Befüllung und der Montagesituation ermittelt. Im Kunststoffprodukt befindet sich bei der Analyse eine Lösung aus Alkohol, die den Kunststoff LLDPE stark quellen lässt. Es ergaben sich Schwachstellen im Bereich der Verrippungen, die erhöhte mechanische Spannungen aufweisen. Durch eine Gestaltoptimierung der Rippenanbindung an die Behälterwand konnten die mechanischen Spannungen auf ein unkritisches Maß reduziert werden, wobei die durch die Materialquellung starke Reduzierung der ertragbaren Spannungen berücksichtigt wurde. Der Kunde von MORPHOTEC hat die Ergebnisse der FEM-Simulationen anschließend in Bauteilversuchen validieren können. Es ergab sich kein Bauteilversagen mehr aufgrund des Materialquellens. Das Bild in dieser Veröffentlichung zeigt die unkritischen von Mises Spannungen nach der Gestaltoptimierung der Rippenanbindung in die Behältniswand.

Aachen, 29.08.2017

Simulation und Optimierung der Kontaktpressung in Wälzlagern

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die Kontaktpressung in Wälzlagerungen ein, die möglichst minimiert werden sollte, um eine hohe Lebensdauer des Wälzlagers zu erzielen.

Im Speziellen betrachten wir ein Kegelrollenwälzlager. Dieses Simulationsbeispiel dient als Grundlage dafür, wie die kritische Pressung in den Wälzlagerelementen minimiert werden kann.

Die zu optimierenden Kegelrollenlager werden in einem einstufigen Getriebe eingesetzt, das zu der Antriebseinheit eines Hochgeschwindigkeitszuges gehört; sie lagern dort die Abtriebswelle. In Kooperation mit einem Industriepartner, der ermüdungskritische Messungen an den Wälzlagern übernahm, wurde die Simulation und Optimierung der Kontaktpressungsverteilung zwischen Kegelrolle und Lagerinnen- respektive -außenring in zwei Wälzlagern durchgeführt.

Bei den untersuchten Kegelrollenwälzlagern liegen eine ermüdungskritische Anwendung bei hohen Drehzahlen und überwiegend moderate Lasten vor.

Zeitweise treten jedoch signifikante Extremlasten im Betrieb des Zuges auf.

Darüber hinaus sind relativ große Verformungen von Welle und Gehäuse auf Grund von Leichtbau zu verzeichnen.

Wesentliche Kriterien für die Gestaltung der Kegelrollen sowie des Innen- und Außenrings sind die Vermeidung von Kantentragen bei den o.a. Extremlasten und eine möglichst homogene Pressungsverteilung, die unterhalb der zulässigen Druckspannung der verwendeten Materials liegt. Werden hierbei Materialbelastungsgrenzen überschritten, so kann die Laufbahn des Lagers geschädigt werden, was eine deutliche Reduzierung der Lagerlebensdauer mit sich bringt.

Bei der Simulation der Kontaktpressungen im Wälzlager wurde auf die Finite-Elemente-Modellierung besonderes Augenmerk gelegt. Erforderlich sind hohe Netzdichten im Kontaktbereich für eine gute Erfassung der Kontaktpressung und niedrige Netzdichten im übrigen Modellbereich, um die Rechenzeit in akzeptablen Zeiträumen zu halten.

Die Basisgeometrie der Lagerringe und Kegelrollen führt unter maximaler Betriebslast zu hohen Kantenpressungen im Lager. Die Optimierung der Profilierungen (Balligkeiten) führte zu einer verbesserten sowie verminderten Pressungsverteilung und zur Beseitigung der Kantenpressung (vgl. Bild dieser Pressemitteilung). Damit verbunden ist eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer des Kegelrollenlagers.

Die durchgeführten Simulationsrechnungen waren Teil eines umfangreichen Freigabeprozesses für die Wälzlager von Seiten des Kunden. Neben der Optimierung der Geometrie gehörten dazu die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und die Produktvalidierung durch realitätsnahe Lebensdauerversuche, in denen die Eignung der Lager für diese Anwendung verifiziert werden konnte.

Aachen, 25.09.2018

FE-Simulation einer KFZ-Türdichtung

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die FE-Simulation einer elastomeren KFZ-Türdichtung ein.

Elastomere werden in verschiedensten Bereichen eingesetzt. Man findet sie beispielsweise wieder in KFZ-Reifen, Antriebsriemen, Schwingungsdämpfern, Dichtungen (Profildichtungen, O-Ringe, Membrandichtungen, Balgdichtungen und andere Geometrien zur Abdichtung). Geschäumte Elastomere werden als Vibrationsdämpfer und zur Wärme- und Schalldämmung verwendet.

Ein Elastomer besteht im Wesentlichen aus Naturkautschuk. Naturkautschuk weist in seinem amorphen Zustand eine hohe Zähigkeit auf und ist dabei selbstverklebend. Daher ist Naturkautschuk zumeist nicht einsetzbar in technischen Anwendungen.

Daher wurde ein Verfahrensprozeß gesucht, der aus dem nicht verwendbaren Naturkautschuk einen technischen Werkstoff hervorbringt. Charles Goodyear erfand im Jahre 1839 durch einen glücklichen Zufall den Prozess der Vulkanisation bei dem eine Schwefel-Kautschuk-Mischung auf eine heiße Herdplatte fiel und dabei ein unter mechanischer Last elastisch verformbares Material entstehen ließ.

Die langkettigen Makromoleküle des Naturkautschuk werden durch Hinzugabe von Schwefel unter Einsatz von Druck und Wärmeenergie untereinander durch Elektronenpaarbildungen vernetzt. Es entsteht ein elastisch hochdehnbares Material.

Heutzutage existiert eine große Variationsbreite an Kautschukmischungen bei Elastomeren (bestehend aus Füllstoffen, Weichmachern und Chemikalien) für die unterschiedlichsten Anwendungen. Zudem hat der Mischvorgang und die Fertigung beispielsweise durch Spritzgießen oder Extrusion eine signifikanten Einfluss auf das spätere mechanische und thermische Elastomerverhalten.

Gehen wir nunmehr auf das eigentliche Thema dieser Veröffentlichung ein, die FE-Simulation einer KFZ-Türdichtung. Die wesentliche Aufgabe der Türdichtung als Berührdichtung ist das Verhindern ungewollter Stoffübergänge (insbesondere Feuchtigkeit) in den Innenraum des KFZ. Die Dichtung besteht vorwiegend aus EPDM. EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk; M-Gruppe) besteht aus synthetischem Kautschuk, der bedingt durch die Knappheit an natürlichem Kautschuk zu Anfang des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. EPDM besitzt eine gute Alterungsbeständigkeit auch unter UV- und Ozonbelastung. EPDM weist zudem eine gute klimatische, thermische und chemische Beständigkeit auf. Zudem verfügt das Material über eine hohe Elastizität. EPDM ist daher der am meisten verwendete Werkstoff in der Automobilindustrie bei Dichtungsbauteilen.

Türdichtungen werden zumeist im Extrusionsverfahren hergestellt. Dabei stellt die Härte des Elastomers (SHORE A) den Werkstoffparameter dar, der das mechanische Verhalten des Produkts im Wesentlichen bestimmt.

Elastomere wie auch EPDM verhalten sich hyperelastisch. Die nichtlinearen Dehnungen bleiben bis zu mehreren hundert Prozent reversibel. Um das nichtlineare Materialverhalten zu erfassen sind entsprechende Materialmodelle erforderlich. Bei der hier vorgestellten FE-Simulation der Türdichtung wird das Mooney-Rivlin-Materialmodell verwendet. Bei den auftretenden Dehnungsgrößen der Türdichtungen ist die Beschreibungsgüte des Modells entsprechend gut.

Das dieser Pressemitteilung angehängte Bild zeigt auf der linken Seite die Materialverteilung in der Türdichtung. Die Lippenbereiche respektive Dichtungsbereiche zwischen Tür und Karosserie (lila eingefärbt) bestehen aus einem weicheren geschäumten Material mit der Shore A Härte 25. Die Bereiche um den Stahlträger der Dichtung (gelb eingefärbt) bestehen aus einem Material mit der Shore A Härte 55. Die Materialverteilungen wurden in Optimierungsschleifen mittels FEM-Simulation ermittelt. Ziel war dabei die Erzielung der benötigten Schließkraft respektive Dichtungsdruck in den Abdichtungsbereichen bei ertragbaren Materialbelastungen. In der rechten Seite sind die max. Hauptdehnungen bei größtmöglicher Verformung der Dichtung dargestellt. Die Hauptdehnungen betragen im oberen Lippenbereich mehr als 30%, was beim verwendeten EPDM unkritisch ist. Die ausgewertete Schließkraft der Dichtung liegt im vorgegebenen Sollbereich.

Aachen, 30.09.2019

FE-Crashsimulation einer NFZ-Kabine nach ECE R29

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die FE-Crashsimulation einer Kabine eines Nutzfahrzeuges nach der ECE R29 ein.

Ein wesentliches Merkmal von FE-Crashsimulationen in der Fahrzeugtechnik ist die Überprüfung der Crashsicherheit. Die Crashsicherheit umfasst die Fähigkeit der Fahrzeugstruktur die Bewegungsenergie beim Aufprall möglichst in plastische Verformungsenergie umzusetzen, wobei der Fahrzeuginnenraum davon weitestgehend unbeeinträchtigt und intakt verbleiben soll. Es ist somit sicherstellen, dass die Fahrzeuginsassen keine Verletzungen insbesondere durch Quetschungen erfahren müssen.

Die FE-Crashsimulation beruht auf der nicht-linearen transienten Finite-Elemente-Simulation. Die zeitschrittweise Aufstellung und Aktualisierung der Finite-Elemente-Systemgleichungen durch numerische Integration und anschließende Lösung dieser Systemgleichungen erfolgt dabei über ein explizites Verfahren.

Bei dem expliziten Lösungsverfahren ist die Wahl der Zeitschrittweite entscheidend für die Genauigkeit der Simulationsergebnisse. Die Zeitschrittweite sollte entsprechend klein gewählt werden. Die bei der FE-Crash-Simulation hingegen max. mögliche Zeitschrittweite wird durch die Elementgröße des kleinsten Elements im Finite-Elemente-Modell bestimmt. Die Zeitschrittweite errechnet sich aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (beispielsweise bei einer Schockwelle) im Material und der Elementgröße. Somit ist bei der Finite-Elemente-Vernetzung der Fahrzeugstruktur zu beachten, dass die Elementierung keine zu kleinen Elementgrößen aufweist, da dies zu sehr großen Rechenzeiten führen kann; hierbei sollte zur Absicherung eine Konvergenzanalyse durchgeführt werden, die untersucht ab welcher Elementgröße keine signifikanten Änderungen der berechneten Verformungen und Dehnungen mehr auftreten.

Nutzfahrzeuge respektive Zugmaschinen, die wie in Europa üblich ohne langen Frontverbau konstruiert und produziert werden, besitzen den Nachteil, dass das Fahrerhaus nur über einen kurzen Deformationsweg bei einem frontalen Aufprall verfügt. Beim frontalen Crash ist daher sicherzustellen, dass das Fahrerhaus ohne Frontverbau einen genügenden Überlebensraum für die Insassen gewährleistet.

Die ECE (Economic Commission for Europe) Regelung R29 dient hierbei dem Schutz der Insassen des Fahrerhauses von Nutzfahrzeugen. Die Prüfung nach ECE R29 umfasst drei Prüfungen. Bei Prüfung A wird untersucht, wie sich das Fahrerhaus nach einem Frontalaufprall deformiert. Prüfung B betrifft die Festigkeit der Frontsäulen (Einschlag eines Pendels mit einer kinetischen Energie von 29,4 kJ) und bei Prüfung C wird die Deformation des Daches unter einer Dachlast von 10 t ermittelt.

Voruntersuchungen an der bestehenden Fahrerhausstruktur haben ergeben, dass der Crashtest der entsprechend Prüfung A durchgeführt wird, kritisch ist. D.h., es wurde die Möglichkeit von Verletzungen im Fußraum der Fahrerkabine festgestellt.

Um aufwendige weitere Tests an der realen Kabine zu vermeiden, wurde die FE-Crashsimulation für die Prüfung A eingesetzt.

Das dieser Pressemitteilung angehängte Bild zeigt auf der linken Seite den Versuchsaufbau für die Prüfung A (Frontalaufprallprüfung). Das Schlagpendel trifft bei dieser Prüfung mit einer definierten kinetischen Energie von 55 kJ auf das Fahrerhaus. Auf der linken Seite ist die Deformation des Führerhauses (Schnittdarstellung) erkennbar. Es ist ersichtlich, dass die Struktur im Bereich des Fußraumes zu stark deformiert, so dass Verletzungen des Fahrers an Füssen und Beinen erfolgen würden. Auch bewegt sich aufgrund der Strukturnachgiebigkeit die Lenksäule in Richtung des Oberkörpers des Fahrers, was zu zusätzlichen Verletzungen führen würde.

Es wurden daher im Fußraum Maßnahmen zur Erhöhung der lokalen Struktursteifigkeit und somit zur lokalen Verformungsreduzierung vorgenommen, die sicherstellen, dass keine Verletzungen des Fahrers auftreten können.