Hyperelasticity is a significant property of rubber, taken advantage of in engineering applications. A common application is the use of seals to prevent fluid transfer (liquid or gas) between solid regions. Volvo CE is often depending on external supplier when developing seals. However, it could be beneficial to be able to do design and analysis in-house. Thus, they want with this master thesis to increase their knowledge about rubber and FEM simulations of seals in ANSYS. The aim with this work is to develop a method and guidelines for analysis and simulation of seals of hyperelastic materials. Components analyzed in this thesis work are two static seals, an O-ring andan in-house modified X-ring design. Selected materials, HNBR and FKM, are commonly used elastomers at Volvo CE. Material tests performed at RISE are for three different load cases:uniaxial tension test, planar tension test and biaxial tension test. Quasi-static analyses are performed in ANSYS. Hyperelastic materials need different constitutive models, hyperelastic material models, to describe their material behavior and these are defined in terms of a strain energy density function.However, the challenge is to determine the material constants in the equation, to characterize the material properties, by processing test data. Research questions answered are ‘’What material tests are needed for hyperelastic materials?’’, ‘’How is the test data converted to work as input to ANSYS and obtain material constants?’’ and ‘’How is an appropriate material model selected for simulation in ANSYS?’’. The study shows the importance of that material test represents the condition the application will experience. It should capture material behavior at the specific frequency, strain amplitude and temperature range for the application. The expected strain range and deformation modes that will play a functional role in the application should be considered in the material testing. Material constants can be determined from test data separately or simultaneously. Test data from at least one deformation mode is required, but one can't accurately predict full deviatoric behavior of hyperelastic material models by using one mode. If data only is used for one deformation mode, simulations in other deformation modes can yield erroneous results. It is therefore recommended to use several deformation modes. For applications with more complex load cases more deformation modes are needed. Generally, recommended tests are uniaxial tension test, planar tension test and biaxial tension test due to homogenous deformation is achieved. It is important to verify the material model before analysis. Using test data from one deformation mode can still provide a good fit. In the cases investigated verifications of the material model Yeoh 3rd order show that the fit obtained by only using uniaxial tension test data and using test data from three tests doesn’t seem to differ. Both uniaxial tension test data and test data from three tests give agood fit when simulating the tests with this material model. The benefit of using test data from three tests is questionable due to costs. It seems that only uniaxial tension test data could have been used as it provided a good fit. Moreover, test data must be processed to work as input to ANSYS. ANSYS requires engineering stress-strain test data for hyperelastic materials besides from the volumetric test, where true stress strain is required. The biaxial tension state which is realized with so called Bulge test thus needs to be converted to engineering stress. Then, test data needs to be adjusted to account for effects such as hysteresis and Mullin’s effect, where choice of curve and a process zero-shift must be done. Hyperelastic material models have different validity for different strain ranges. The selected material model was Yeoh 3rd order, which showed be a good fit for both the materials, HNBR and FKM, in strain range 30 %. The curve fit is based on three tests. The selection was based on the material model with lowest relative error with stability. Material constants were obtained for that material model, and these were used in simulations. Material models tends to be unstable for strains outside the test data. Simulations of seals with fluid pressure were performed for different pressure and stretch of the seal. If the contact pressure is larger than fluid pressure in the seals no leakage will occur. / Hyperelasticitet är en betydande egenskap hos gummi, som används i tekniska tillämpningar. En vanlig tillämpning är tätningar för att förhindra vätskeöverföring (vätska eller gas) mellan fasta områden. Volvo CE är ofta beroende av externa leverantörer vid utveckling av tätningar. De vill därför med detta examensarbete öka sina kunskaper om gummi och FEM-simuleringar av tätningar i ANSYS. Målet med arbetet är att utveckla en metod och riktlinjer för analys och simulering av tätningar av hyperelastiska material. Komponenter som analyseras i detta examensarbete är två statiska tätningar, en O-ring och en intern modifierad X-ringdesign. Utvalda material, HNBR och FKM, är vanliga elastomerer hos Volvo CE. Materialtester som genomförts på RISE är för tre olika belastningsfall: enaxligt dragprov, plant dragprov och biaxialt dragprov. Quasi-statiska analyser genomfördes i ANSYS. Hyperelastiskt material behöver olika konstitutiva modeller, hyperelastsiska materialmodeller, för att beskriva dess materialbeteende och dessa definieras i termer av töjningsenergidensitetsfunktion. Utmaningen är att bestämma materialkonstanterna i ekvationen, för att karakterisera materialegenskaper, genom att processa testdatat. Forskningsfrågor som besvaras är ’’Vilka materialtester är nödvändiga för hyperelastiska material?’’, ’’Hur konverteras testdata för att fungera som indata till ANSYS och erhålla materialkonstanter?’’ och ’’Hur väljs lämplig materialmodell för simulering i ANSYS?’’. Studien visar vikten av att materialtester representerar förhållanden som är representativa för applikationen. Det bör fånga materialbeteendet vid den specifika frekvensen, töjningsamplitud och temperatur för applikationen. Det förväntade töjningsomårdet och deformationslägen som kommer spela en funktionell roll i applikationen bör beaktas i materialtestningen. Materialkonstanter kan beräknas från testdata separat eller simultant. Testdata från minst ett deformationsläge krävs, men man kan inte exakt förutsäga fullständigt devatoriskt beteende hos hyperelastiska materialmodeller genom att använda ett deformationsläge. Om testdata endast används för ett deformationsläge kan simuleringar i andra deformationslägen ge felaktiga resultat. Det är därför rekommenderat att använda flera deformationslägen. Generellt rekommenderade tester är enaxligt dragprov, plant dragprov och biaxialt dragprov då homogen deformation uppnås. Det är viktigt at verifiera materialmodellen innan analys. Att använda testdata från ett deformationsläge kan fortfarande ge en bra passning. I de undersökta fallen visar verifikation av materialmodellen Yeoh 3:e ordningen att passningen som erhållits av enbart enaxligt dragprovtestdata och testdata från tre tester inte skiljer sig åt. Både enaxligt dragprov testdata och testdata från tre tester ger en bra passning när simulerar testerna med den materialmodellen. Fördelarna med att använda testdata från tre tester är ifrågasatt pga. kostnaderna. Det verkar som enbart enaxligt dragprov testdata kunde ha använts då det gav en bra passning. Vidare behövs testdata hanteras för att fungera som indata till ANSYS. ANSYS behöver nominellspänning-töjning testdata för hyperelastiska material förutom för det volymetriska testet, där sannspänning-töjning behövs. Det biaxiala dragprovet som realiserades med s.k. Bulge test måste därför konverteras till nominell spänning. Sedan behöver testdata justeras för att ta hänsyn till effekter som hysteres och Mullins effekt, där val av kurva samt en process ‘’zero-shift’’ måste göras. Hyperelastiska materialmodeller har olika giltighet för olika töjningsområden. Val av materialmodell blev Yeoh 3:e ordningen som visade sig vara en bra passning för båda materialen, HNBR och FKM, i töjningsområden 30%. Kurvanpassningen är baserad på tre tester. Valet baserades på den materialmodell som hade minst relativt fel och som var stabil. Materialkonstanterer hölls för den materialmodellen och dessa användes i simuleringar. Materialmodeller tenderar att vara ostabila för töjningar utanför testdata. Simuleringar av tätningar med flödestryck genomfördes för olika tryck och stretch av tätningen. Om kontakttrycket är större än flödestrycket i tätningen sker inget läckage.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-324764 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Svanborg Östlin, Lovisa |
| Publisher | KTH, Maskinkonstruktion |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2022:575 |
Page generated in 0.0034 seconds