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Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz

Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-203407


Wulf, Hans
Ihlemann, Jörn (Prof. Dr.-Ing. habil.) ; Herzog, Roland (Prof. Dr. rer. nat.) (Gutachter)

Modellierung und Simulation von Selbstorganisationsprozessen in belasteten technischen Gummiwerkstoffen

Modelling and simulation of self-organization processes in loaded rubber materials


Kurzfassung in deutsch

Gummiwerkstoffe zeigen unter Belastung ein hochkomplexes Verhalten. Besonders markant sind dabei die von der Belastungsgeschichte und Belastungsrichtung abhängigen Entfestigungseffekte. Für die Entwicklung zuverlässiger und optimierter Produkte aus Gummi ist ein vertieftes Verständnis dieser Eigenschaften essentiell. Sie lassen sich aber nur schwer mit den Eigenschaften der bei der Herstellung des Werkstoffs verwendeten Grundkomponenten in Zusammenhang bringen. Die genauen Vorgänge auf molekularer Ebene, die zu dem typischen Materialverhalten führen, sind unbekannt.
In der Arbeit wird als Erklärungsansatz die von Ihlemann entwickelte Theorie selbstorganisierender Bindungsmuster untersucht. Die zentrale These der Theorie besagt, dass sich unter Deformation infolge eines Selbstorganisationsprozesses eine inhomogene Verteilung schwacher physikalischer Bindungen im Material einstellt. Dieses Bindungsmuster verändert sich mit dem Deformationsvorgang und stellt damit das Gedächtnis des Materials dar. In der Arbeit werden zunächst allgemeine Aspekte selbstorganisierender Systeme untersucht und die Theorie anschließend unter diesen Aspekten analysiert. Außerdem wird der Erklärungsansatz geeignet erweitert und demonstriert, dass sich auch neue messtechnische Befunde damit problemlos erklären lassen. Insgesamt wird gezeigt, dass die Theorie selbstorganisierender Bindungsmuster als überzeugende Begründung für eine Vielzahl beobachteter Eigenschaften von Gummiwerkstoff geeignet ist.
Um die Theorie zu testen, wurde ein Simulationsprogramm erstellt. Es verwendet eine starke Abstraktion der Molekularstruktur von gefülltem Gummiwerkstoff. Die einzelnen Modellelemente wurden dabei so einfach wie möglich gehalten. Sie sind alle elastisch, es existiert aber eine Regel zum dynamischen Einfügen und Entfernen der physikalischen Bindungen. Daher können alle inelastischen Eigenschaften des Modells direkt mit einer Veränderung der Bindungsstruktur assoziiert werden. Es werden Verfahren vorgestellt, mit denen die zeitliche und deformationsabhängige Evolution des Modellzustands verfolgt werden kann. Damit werden die Abläufe von Messungen nachgebildet. Die Resultate der Simulation werden mit den Messergebnissen verglichen. Dabei zeigt sich, dass mit dem Programm eine Vielzahl typischer inelastischer Eigenschaften von gefülltem Gummiwerkstoff reproduziert werden kann. Dieses Resultat ist bemerkenswert, weil keines der Grundelemente des Modells diese Eigenschaften aufweist. Eine Analyse des Modells zeigt eindeutig, dass das Modellverhalten auf einem Selbstorganisationsvorgang des Modellelements, welches die physikalischen Bindungen repräsentiert, basiert. Der Selbstorganisationsvorgang verläuft genau so, wie von der Theorie vorhergesagt. Die erstaunliche Ähnlichkeit zum Materialverhalten und die geringe Anzahl von getroffenen Annahmen ist ein starkes Indiz dafür, dass in Gummiwerkstoff ebenfalls ein solcher Selbstorganisationsprozess abläuft und das Materialverhalten maßgeblich beeinflusst.

Kurzfassung in englisch

Filled rubber material exhibits a complex behavior in mechanical testing. Especially characteristic is a softening of the material depending on direction and history of loading. For the development of reliable and optimized products deep knowledge about these properties is essential. They are, however, difficult to connect to the properties of the employed molecular components. Overall, the precise molecular scale processes which lead to the material behavior are unknown.
In this work the theory of self-organizing linkage patterns by Ihlemann is investigated. Its central claim is, that under deformation a self-organization process occurs, which leads to an inhomogeneous distribution of weak physical links. This linkage pattern evolves during deformation and therefore represents the memory of the material. First of all, some general properties of self-organizing systems are considered. Thereafter, this theory is analysed under these aspects. Moreover, the approach is extended in order to explain some recent experimental observations. It is demonstrated that these new results clearly support the concept. Overall, it is shown that the theory of self-organizing linkage patterns is capable of explaining how a wide variety of material properties emerges from the microstructure.
In order to test the theory, a simulation program is developed. It is based on an abstract model of the molecular structure of filled rubber. The model elements are kept as simple as possible. Their characteristic is always elastic. However, there is a rule for dynamically inserting and removing the model element representing the physical links. Hence, all inelastic properties of the model can be associated with a modification of the linkage structure. Algorithms for tracking the evolution of the linkage pattern over time and during a deformation process are presented. These allow to replicate the schedule of published experiments in simulation. The simulation can reproduce a wide variety of typical rubber properties. This is a remarkable result, as none of the basic model elements show any inelastic behavior. An analysis of the model shows clearly that the model behavior is due to a self-organization process based on the model element representing the physical linkages. The self-organization is structured exactly as predicted by the theory. The surprising similarity between simulation and experimental results and the small number of asumptions made lead to the conclusion that in filled rubber most probably such a self-organization process with decisive impact on the material properties is occuring.

Universität: Technische Universität Chemnitz
Institut: Professur Festkörpermechanik
Fakultät: Fakultät für Maschinenbau
Dokumentart: Dissertation
Betreuer: Ihlemann, Jörn (Prof. Dr.-Ing. habil.)
URL/URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-203407
SWD-Schlagwörter: Modellierung , Simulation , Selbstorganisation , Gummi
Freie Schlagwörter (Deutsch): Gummiwerkstoff
Freie Schlagwörter (Englisch): modelling , rubber , selforganization
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Tag der mündlichen Prüfung 20.05.2016

 

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