Finite Element Analysis (FEA) | Method (FEM) and Modeling

Till skillnad från metaller är PSA viskoelastiska och deras egenskaper är frekvens- och temperaturkänsliga. Detta kräver avancerad testning för att skapa data som beskriver vad det mekaniska svaret kommer att bli vid olika belastningar, temperaturer, geometrier etc.

3M är unikt positionerat för att karakterisera dessa frekvens- och temperaturkänsliga material och tillhandahåller dem i ett format som är kompatibelt med en rad olika program för ändamålsenlig modellering. Dessa materialmodeller kan användas för att förutsäga mekaniskt beteende i en finite element analysis.
Konventionella mekaniska egenskaper, såsom Youngs modul och Poissons förhållande, även när de erhålls vid relevanta hastigheter och temperaturer, fångar de inte PSA-beteende exakt. Följaktligen har 3M utvecklat materialdatakort (MDC) som är tillgängliga för vanliga 3M-material i ett färdigt format för många kommersiellt tillgängliga FEA-program.

För närvarande kan vi erbjuda en MDC för alla 3M PSA som är kompatibla med Abaqus, ANSYS MAPDL, ANSYS Workbench och LS Dyna.

Utmanande problem inom konstruktion kan ofta inte lösas med hjälp av analyser, medan tester på verkliga komponenter vanligtvis är tids- och kostnadskrävande eller helt enkelt för svåra att utföra. Detta gäller särskilt för strukturell stabilitetsbedömning av hela järnvägsvagnar, vagnar eller stora delkomponenter av dessa.

Men med ökad datorprestanda kan numeriska simuleringstekniker som FEM-metoden användas för en ungefärlig lösning av tekniska problem. FEM är den mest använda numeriska metoden för att lösa partiella differentialekvationer relaterade till tekniska problem som annars inte skulle vara möjliga att lösa. FEM delar upp ett stort system i mindre, enklare delar som kallas finite element. Att studera eller analysera ett fenomen med FEM kallas ofta finite element analysis (FEA).

Idag är FEA ett väletablerat och viktigt analysverktyg för tekniska beräkningar inom många discipliner inom och utanför 3M. Med hjälp av FEA tillsammans med lämpliga förenklingar och antaganden kan även extremt komplexa strukturer som hela järnvägsfordon bedömas för sina strukturella prestanda, stabilitet och krocksäkerhet enligt kraven i branschstandarderna DIN EN 12633 (Strukturella krav för järnvägsfordon) och DIN EN 15227 (Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Bodies). En annan viktig industristandard som är särskilt anpassad för limning av järnvägsfordon och delar är DIN 6701, se [1], som består av fyra delar. Den tredje delen, DIN 6701- 3, behandlar specifikt riktlinjer för konstruktion, design och bedömning av limfogar på järnvägsfordon.

En hållfasthetsbedömning av limmet krävs, vilket kan göras med hjälp av FEA. I en mer allmän bemärkelse är detta också en del av den nya standarden DIN 2304-1, se [2], som inte är begränsad till tågindustrin. Allt detta är nyckeln till att ytterligare etablera limningsteknik inom järnvägsindustrin och bidra till att möjliggöra konstruktioner med multimaterial och lättviktskonstruktioner, vilket undersöktes i projektet ULWAK, som 3M var en del av, se [3].

Ur ett beräkningseffektivit perspektiv är det möjligt att utföra hållfasthetsbedömning för lim för tjocka (dvs. större än 1,5 mm) gummiliknande elastiska fogar. Det är emellertid nästan omöjligt att samtidigt utföra limhållfasthetsbedömningen för tunna (dvs. mindre än 1,0 mm) fogar med en acceptabel elementupplösning över fogtjockleken på grund av de enorma skillnaderna i järnvägskomponenternas dimensioner och fogtjocklekar. En av utmaningarna är överföringen av laster och gränsförhållanden från hela systemet till ett mindre delsystem.