Jedes Finite-Elemente-Modell erfordert ein kalibriertes Materialmodell für alle zu simulierenden Materialien. Das technische Support-Team von 3M unterstützt Sie gerne mit Antworten auf Ihre Fragen rund um Modellierung und Simulation.
Im Gegensatz zu Metallen sind Haftklebestoffe viskoelastisch und ihre Eigenschaften sind frequenz- und temperaturempfindlich. Dies erfordert fortschrittliche Tests, um Daten zu erstellen, die beschreiben, wie das mechanische Verhalten unter verschiedenen Lasten, Temperaturen, Geometrien usw. sein wird.
3M ist einzigartig positioniert, um diese frequenz- und temperaturempfindlichen Materialien zu charakterisieren und sie in einem Format bereitzustellen, das mit einer Vielzahl von Finite-Elemente-Modellierungssoftware kompatibel ist. Diese Materialmodelle können zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens in einer Finite-Elemente-Analyse verwendet werden.
Konventionelle mechanische Eigenschaften, wie Elastizitätsmodul und Poisson-Zahl, selbst wenn sie bei relevanten Raten und Temperaturen ermittelt werden, erfassen das Verhalten der Haftklebestoffe nicht genau. Aus diesem Grund hat 3M Materialdatenkarten (MDCs) entwickelt, die für gängige 3M Materialien in einem gebrauchsfertigen Format für zahlreiche kommerziell erhältliche FEA-Softwareanwendungen zur Verfügung stehen.
Derzeit können wir eine MDC für jeden 3M Haftklebstoff anbieten, in einem Format, das mit Abaqus, ANSYS MAPDL, ANSYS Workbench und LS Dyna kompatibel ist.
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Von der experimentellen Charakterisierung zur computergestützten Modellierung und Simulation
Oft können anspruchsvolle ingenieurtechnische Probleme nicht analytisch gelöst werden, während Tests an realen Bauteilen meist zeit- und kostenintensiv oder einfach zu schwierig durchzuführen sind. Dies gilt insbesondere für die Bewertung der strukturellen Integrität ganzer Triebwagen, Waggons oder großer Teilkomponenten davon.
Mit zunehmender Computerleistung können jedoch numerische Simulationsverfahren, wie z. B. die Finite-Elemente-Methode (FEM), zur näherungsweisen Lösung von technischen Problemen eingesetzt werden. Die FEM ist die am weitesten verbreitete numerische Methode zur Lösung partieller Differentialgleichungen im Zusammenhang mit technischen Problemen, die sonst nicht lösbar wären. Die FEM unterteilt ein großes System in kleinere, einfachere Teile, die als finite Elemente bezeichnet werden. Die Untersuchung oder Analyse eines Phänomens mit FEM wird oft als Finite-Elemente-Analyse (FEA) bezeichnet.
Die FEA ist heute ein etabliertes und unverzichtbares Analysewerkzeug für technische Berechnungen in vielen Disziplinen innerhalb und außerhalb von 3M. Mit Hilfe der FEM und entsprechender Vereinfachungen und Annahmen können auch sehr komplexe Strukturen, wie z. B. ganze Schienenfahrzeuge, auf ihre strukturelle Leistungsfähigkeit, Integrität und Kollisionssicherheit bewertet werden, wie es die Industrienormen DIN EN 12633 (Strukturelle Anforderungen bei Wagenkästen von Schienenfahrzeugen) und DIN EN 15227 (Anforderungen an die Kollisionssicherheit bei Wagenkästen von Schienenfahrzeugen) fordern. Eine weitere wichtige Industrienorm, die sich speziell der Verklebung von Schienenfahrzeugen und -teilen widmet, ist die DIN 6701, siehe [1], die aus vier Teilen besteht. Der dritte Teil, DIN 6701- 3, befasst sich speziell mit Richtlinien für die Konstruktion, Entwicklung und Beurteilung von Klebverbindungen an Schienenfahrzeugen.
Es ist eine Festigkeitsbewertung für den Klebstoff erforderlich, die mit Hilfe von FEA durchgeführt werden kann. In einem allgemeineren Sinne ist dies auch Teil der neuen Norm DIN 2304-1, siehe [2], die nicht auf die Bahnindustrie beschränkt ist. All dies ist der Schlüssel zur weiteren Etablierung von Klebetechnologien in der Bahnindustrie und trägt dazu bei, Multimaterialkonstruktionen und Leichtbau zu ermöglichen, wie sie im Projekt ULWAK, an dem 3M beteiligt war, untersucht wurden, siehe [3].
Unter dem Gesichtspunkt der Computereffizienz ist es möglich, die Haftfestigkeitsbewertung für dicke (d. h. größer als 1,5 mm) gummiartige elastische Verbindungen durchzuführen. Aufgrund der enormen Unterschiede in den Abmessungen der Wagenkomponenten und der Klebedicken ist es jedoch fast unmöglich, die Haftfestigkeitsbewertung für dünne (d. h. weniger als 1,0 mm dicke) Klebungen gleichzeitig mit einer akzeptablen Elementauflösung über die Klebedicke durchzuführen. Eine der Herausforderungen ist die Übertragung der Lasten und Randbedingungen vom Gesamtsystem auf ein kleineres Teilsystem.
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Eine weitere Herausforderung ist die Definition eines geeigneten Materialmodells für den Klebstoff. Um verlässliche Ergebnisse mittels FEA zu erhalten, ist es entscheidend, genaue Modelle für alle am Problem beteiligten Materialien zur Verfügung zu haben. Solche Materialmodelle, manchmal auch als Materialdatenkarten bezeichnet, beschreiben das mechanische Verhalten des realen Materials und erfassen idealerweise die wichtigsten physikalischen Effekte, die durch geeignete Tests und Charakterisierung der Materialien identifiziert wurden.
Jedes Finite-Elemente-Modell erfordert ein kalibriertes Materialmodell für alle zu simulierenden Materialien. Zur Ermittlung der erforderlichen Materialparameter können verschiedene Techniken verwendet werden. Alle diese Techniken erfordern experimentelle Testdaten und die Auswahl eines geeigneten Materialmodells. Es folgt ein Verfahren zur Bestimmung der Parameter für das Modell aus den experimentellen Daten, d. h. die Kalibrierung, Verifizierung und Validierung des Modells in Bezug auf die experimentellen Daten. Die Validierung kann auf der Grundlage eines T-Schälversuchs oder eines einzelnen Zugscherversuchs erfolgen. Nach der Fertigstellung schneidet das Modell unter den getroffenen Annahmen gut ab.
Das globale technische Support-Team von 3M unterstützt Sie gerne mit Antworten auf Ihre Fragen rund um Klebstoffcharakterisierung, Modellierung und Simulation. Wir haben hochmoderne Test- und Simulationsmöglichkeiten für strukturelle und druckempfindliche Klebstoffe entwickelt, die es uns ermöglichen, Leistung, Schäden, Versagen, Einfluss auf die Schwingungsdämpfung (NVH) für die Reduzierung von Radgeräuschen, siehe [4], und viele andere Anwendungen zu modellieren und vorherzusagen.
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