Eindige-elementanalyse (FEA) | -methode (FEM) en modellering

Vaak kunnen uitdagende technische problemen niet worden opgelost met behulp van analyses, terwijl testen op echte componenten meestal veel tijd en geld kost of gewoon moeilijk is uit te voeren. Dit geldt vooral voor de structurele integriteitsbeoordeling van complete treinstellen, wagons of grote subonderdelen daarvan.

Dankzij de toenemende computerprestaties kunnen nu numerieke simulatietechnieken, zoals de eindige-elementmethode (FEM), worden toegepast voor de oplossing bij benadering van technische problemen. De FEM is de meest gebruikte numerieke methode voor het oplossen van partiële differentiaalvergelijkingen met betrekking tot technische problemen die anders niet zouden kunnen worden opgelost. De FEM verdeelt een groot systeem in kleinere, eenvoudigere delen die eindige elementen worden genoemd. Het bestuderen of analyseren van een fenomeen met FEM wordt vaak eindige-elementenanalyse (FEA) genoemd.

Tegenwoordig is FEA een gevestigde en essentiële analysetool voor technische berekeningen in vele disciplines binnen en buiten 3M. Door gebruik te maken van FEA in combinatie met passende vereenvoudigingen en aannames kunnen zelfs extreem complexe constructies zoals complete railvoertuigen, worden beoordeeld op hun structurele prestaties, integriteit en botsbestendigheid, zoals vereist door de industrienormen DIN EN 12633 (Structurele eisen aan de bakken van railvoertuigen) en DIN EN 15227 (Eisen aan de botsbestendigheid van bakken van railvoertuigen). Een andere belangrijke industrienorm die speciaal is bedoeld voor het verlijmen van railvoertuigen en onderdelen is de DIN 6701, zie [1], die uit vier delen bestaat. Het derde deel, DIN 6701-3, behandelt specifiek richtlijnen voor de constructie, het ontwerp en de beoordeling van lijmverbindingen op railvoertuigen.

Een sterktebepaling van de lijm is vereist, die kan worden gedaan door middel van een FEA. In meer algemene zin maakt dit ook deel uit van de nieuwe norm DIN 2304-1, zie [2], die niet beperkt is tot de railindustrie. Dit alles is essentieel om de lijmverbindingstechnologieën voor de railindustrie te kunnen doorontwikkelen en om constructies met verschillende materialen en lichtgewicht ontwerpen mogelijk te maken, zoals onderzocht in het project ULWAK, waar 3M deel van uitmaakte, zie [3].

Vanuit het oogpunt van computerefficiëntie is het mogelijk om de beoordeling van het hechtvermogen uit te voeren voor dikke (d.w.z. groter dan 1,5 mm) rubberachtige elastische verbindingen. Het is echter vrijwel onmogelijk om tegelijkertijd de beoordeling van het hechtvermogen voor dunne (d.w.z. kleiner dan 1,0 mm) verbindingen uit te voeren met een aanvaardbare elementresolutie over de dikte van de verbinding vanwege de enorme verschillen in afmetingen van de onderdelen van het railvoertuig en de diktes van de verbindingen. Een van de uitdagingen is het overbrengen van de belastingen en randvoorwaarden van het gehele systeem naar een kleiner subsysteem.

Een andere uitdaging is het definiëren van een geschikt materiaalmodel voor de lijm. Om betrouwbare resultaten te verkrijgen met behulp van FEA is het cruciaal om nauwkeurige modellen beschikbaar te hebben voor alle materialen die bij het vraagstuk betrokken zijn. Dergelijke materiaalmodellen, soms ook materiaalgegevenskaarten genoemd, beschrijven het mechanische gedrag van het echte materiaal en bevatten idealiter de belangrijkste fysieke effecten die zijn bepaald door geschikte testen en karakterisering van de materialen.

Elk eindige-elementmodel vereist een gekalibreerd materiaalmodel voor elk te simuleren materiaal. Er kunnen verschillende technieken worden gebruikt om de benodigde materiaalparameters te bepalen. Al deze technieken vereisen experimentele testgegevens en de selectie van een geschikt materiaalmodel. Daarna volgt een procedure om uit de experimentele data de parameters voor het model te bepalen, namelijk het ijken, verifiëren en valideren van het model ten opzichte van experimentele data. De validatie kan worden gedaan op basis van een T-peltest of een enkele schuiftest. Na voltooiing presteert het model goed onder de aangenomen aannames.

Het 3M-team voor wereldwijde technische ondersteuning staat voor u klaar om uw vragen over lijmkarakterisering, modellering en simulatie te beantwoorden. We hebben state-of-the-art test- en simulatiemogelijkheden ontwikkeld voor structurele en drukgevoelige lijmen waarmee we prestaties, schade, defecten, invloed op trillingsdemping (NVH) voor het verminderen van wielgeluid, zie [4], en vele andere toepassingen kunnen modelleren en voorspellen.