Charakterisierung des nichtlinear-viskoelastischen Materialverhaltens gefüllter Elastomere

Abstract

Charakteristisch für gefüllte Elastomere ist ihr ausgeprägtes inelastisches Materialverhalten. Neben einer deutlichen Hysterese ist es typisch, dass die Relaxationsprozesse über einen langen Zeitraum ablaufen. Das Verhalten folgt dabei häufig nicht einer linearen Viskoelastizitätstheorie. Die vorliegende Arbeit behandelt die mechanische Charakterisierung eines rußgefüllten Elastomers in einem kontinuumsmechanischen Materialmodell. Der wesentliche Bestandteil des Modells ist die Beschreibung der Effekte über prozessabhängige Materialparameter. Aufgrund der Komplexität des Materialverhaltens ist die Aufbereitung der experimentellen Daten bereits hinreichend aufwendig. Daher widmet sich ein maßgeblicher Teil dieser Arbeit der Entwicklung einer angemessenen Versuchsführung. Das Hauptaugenmerk gilt dabei der Grundelastizität als Basis für die Überlagerung der zeitabhängigen Effekte. Es wird ein optimierter Prozess zur Separierung der Gleichgewichtsspannungen aus der Gesamtspannung entwickelt. Da die prozessabhängige Formulierung des Materialmodells in einer komplexen Parameteridentifikation mündet, wird zudem für die Betrachtung kürzerer Zeitskalen ein weiterer Modellvorschlag vorgestellt. Er basiert auf einer Erweiterung des viskoelastischen Modells um eine statische Hysterese bei zyklischer Belastung, so dass die Formulierung der viskoelastischen Anteile keiner Prozessabhängigkeit mehr bedarf.

Characteristic for filled elastomers is a pronounced inelastic material behavior. A distinctive hysteresis loop, as well as relaxation processes over a long time range are typical. Thereby, the material behavior is usually non-linear viscoelastic. The present contribution deals with the mechanical characterization of a filled elastomer by a continuum mechanical model. One major aspect of the model is the desription of the observed effects by process-dependent material parameters. The experiments result in a very elaborate process because of the complex material behavior. Hence, special attention is turned towards the development of an adequate experimental procedure. The focus is on the basic elasticity, which deals as the basis for the superimposed time-dependent behavior. Therefore, an optimized process in order to separate the equilibrium stress out of the overall stress is developed. The process-dependent formulation of the model results in a difficult parameter identification. Hence, concerning smaller time ranges, a further modeling approach is presented. Therefore, the viscoelastic description is extended with a statical hysteresis for cyclic loadings. This extension yields a model, which does not need any process-dependent material parameters.