Finite-Elemente-Analyse (FEA) | Methode (FEM) und Modellierung

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.

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.