Complexe structuren zoals voertuigen bevatten heel wat verschillende types van verbindingen, zoals puntlassen, boutverbindingen, rubberverbindingen, enz. Rubberverbindingen dragen in sterke mate bij tot het niet-lineaire gedrag van de samengestelde structuur en zijn ook een belangrijke bron van onzekerheden en variabiliteit tijdens het modelleren. In het kader van de ontwikkeling van ingenieurshulpmiddelen voor virtual prototyping en product optimalisatie is het modelleren van het vibro-akoestisch gedrag van rubberverbindingen een rekenintensieve taak. Dit komt vooral door het gedetailleerde niet-lineaire model van de verbinding en de onzekerheden en variabiliteit die kenmerkend zijn voor dit type van verbinding in een volledig systeemmodel. Bovendien zijn bepaalde niet-lineaire visco-elastische eigenschappen die typisch zijn voor rubber, nog niet volledig doorgrond en daardoor ook nog niet geimplementeerd in de commerciele eindige elementen programma’s. Anderzijds, tijdens de eerste ontwerpfase van een structuur is de kennis van de materiaaleigenschappen van de rubberverbinding meestal beperkt, alsook de exacte werkingsomstandigheden van de rubberverbinding. Dit gebrek aan kennis heeft tot gevolg dat de rekenkost en de inspanning om een volledig systeemmodel op te bouwen met gedetailleerde niet-lineair modellen voor de rubberverbindingen, meestal niet te verantwoorden is.
De meeste rubberverbindingen voor vibro-akoestisch toepassingen zijn in hun operationele toestand voorbelast en onderhevig aan trillingen. Daarom focust dit doctoraat op de invloed van de niet-lineaire quasi-statische en visco-elastische eigenschappen van de rubberverbindingen op de samengestelde structuur. Dit doctoraat bestaat uit twee delen; vooreerst wordt een eenlagige, niet-deterministische modelleringsmethode voorgesteld die het Payne effect (een specifieke niet-lineair visco-elastische gedrag van rubber) in rekening brengt bij de berekening van de dynamische respons van een volledige structuur. Vervolgens wordt de eenlagige aanpak uitgebreid naar een drielagig oplossingsmethode die opgebouwd is uit een materiaal, component en systeem niveau. Deze benadering vermindert de rekenkost die ontstaat door de niet-deterministische aanpak en het in rekening brengen van de niet-lineaire, quasi-statische effecten. De voorgestelde drielagig niet-deterministische modelleringsmethode is een consistente stap in de ontwikkeling van ingenieurshulpmiddelen voor virtual prototyping en product optimalisatie met betrekking tot vibro-akoestische eigenschappen van rubberverbindingen in industriële toepassingen. Deze aanpak positioneert zich tussen de volledig niet-lineaire en lineaire methodes en kan beschouwd worden als een hulpmiddel bij vibro-akoestische toepassingen om op een rekenkundig efficiente manier de gevoeligheid te evalueren van het dynamisch gedrag van een samengestelde structuur voor de eigenschappen van de rubberverbinding.
Complex built-up structures such as vehicles have a variety of joint types, such as spot-welds, bolted joints, rubber joints, etc. Rubber joints highly contribute to the non-linear level of the assembled structure, and represent a major source of modeling uncertainties and variability. In the general framework of developing engineering tools for virtual prototyping and product refinement, the modeling of the NVH behavior of rubber joints involve the computational burden of including a highly detailed non-linear model of the joint and the uncertainties and variability typical of that joint in a full-scale system model. In addition, certain non-linear visco-elastic behaviors typical of rubber materials are yet not fully understood and consequently not yet implemented in commercial FE codes. However, in an engineering first design phase the knowledge on the joint rubber material properties is typically poor, and the working conditions a rubber joint will experience are generally not known in detail. This lack of knowledge often does not justify the computational burden and the modeling effort of including highly detailed non-linear models of the joint in a full-scale system model.
As the majority of rubber joints in NVH applications can be considered as working on a pre-loaded state under vibrations, the focus of this thesis is on the effects at full-scale level of the non-linear quasi-static and the non-linear visco-elastic rubber joint behaviors. This thesis consists of two contributions: first, a single-level non-deterministic modeling methodology is proposed to consider the Payne effect, a specific non-linear visco-elastic rubber behavior, in the evaluation of the dynamic response of a full-scale system; second, the single-level approach is extended to a three-level solution scheme, involving a material, a component and a system level, to reduce the computational burden introduced by the non-deterministic approach and to include non-linear quasi-static effects. The proposed three-level non-deterministic modeling methodology is a consistent step in the development of virtual prototyping and product refinement engineering tools for the modeling of the NVH behavior of rubber joints in real-life applications; and can be considered, in between the fully non-linear and the fully linear modeling approaches, as a tool to evaluate in a computationally convenient way the sensitivity of the dynamic behavior of a full-scale system model to the rubber joint properties most relevant for NVH applications.