Beschreibung
P 1086 – Numerische Modellierung und Kennwertermittlung für das Versagensverhalten hyperelastischer Klebverbindungen
Im Bereich der Mobilität spielt die Mischbau-Modulbauweise eine große Rolle. Die Verwendung innovativer Werkstoffkombinationen, wie z. B. Stahl-Aluminium, Stahl-FVK etc. ermöglicht eine Gewichtsersparnis gegenüber bisherigen Konstruktionen und damit eine Verbrauchs- und Emissionsreduzierung der Fahrzeuge. Die einzelnen Module, die zunehmend aus Leichtmetallen und/ oder FVK hergestellt werden, werden an die Fahrzeugstruktur aus Stahl im Rahmen des Montageprozesses mit kalt härtenden elastischen und semistrukturellen Klebstoffen angebunden.
Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer robusten numerischen Simulations- und Prüfmethode zur Auswahl geeigneter Klebstoffe für die optimale Auslegung von Montageklebverbindungen. Zur Berechnung des mechanischen Verhaltens von Montageklebverbindungen wurde die Hyperelastizitätstheorie mit drei unterschiedlichen Berechnungsverfahren für das Versagen kombiniert. Am experimentellen Befund des elastischen und des postkritischen Verhaltens zeigte sich, dass das elastische Verhalten mit dem MOONEY-RIVLIN-Modell beschrieben werden kann. Das Versagen wurde mit einem bruchmechanischen und einem schädigungsmechanischen Ansatz sowie mit einem Ansatz, der auf der Begrenzung der Formänderungsenergiedichte basiert, beschrieben. Alle Modellparameter wurden an einfachen Grundversuchen identifiziert, bei denen der Klebstoff einfachem Zug, einfachem Schub sowie querdehnungsbehindertem Zug ausgesetzt wurde. Abschließend wurden alle drei Ansätze validiert, indem zwei technologische und eine bauteilähnliche Probe berechnet und die Ergebnisse mit Versuchsdaten verglichen wurden. Der Fortschritt der entwickelten Berechnungsmethoden gegenüber dem Stand der Technik wurde gezeigt, indem alle Berechnungen nicht nur mit Versuchen, sondern auch mit Berechnungsergebnissen verglichen wurden, die mit dem kommerziell verfügbaren *MAT181 erzielt wurden.
Proben aus dem Klebstoff mit einer hohen Glasübergangstemperatur wurden in Zug- und Druckversuchen bei verschiedenen Dehnraten sowie statischer und zyklischer Belastung untersucht, um das stark ratenabhängige Verhalten nahe dem Glasübergang zu erfassen. Zwei neue Modelle wurden aufgestellt, die Viskoelastizität und Viskoplastizität berücksichtigenund das Materialverhalten sowohl unter monotoner Belastung als auch unter zyklischer Be-/Entlastung beschreiben.
Bei der Charakterisierung mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur wurden neben Zug- und Druckversuchen Experimente an dicken Zugscher-, Planarzug-, Winkel-, Streifen- und Kopfzugproben eingesetzt. Zur Beschreibung seines Materialverhaltens wurde ein hyperelastisches Modell entwickelt und mit Viskoelastizität kombiniert, durch das eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Modellen erzielt wurde. Zur Parameteridentifikation genügten vier Experimente. Die Vorhersagen des Modells wurden in vielfältigen Versuchen mit unterschiedlichen Dehnraten validiert.
Das IGF-Vorhaben 18716 N der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn, dem Institut für Mechanik, Fachgebiet Numerische Mechanik der Universität Kassel und am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen, durchgeführt.
Veröffentlichung:
Januar 2019
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, Dipl.-Ing. G.Schwarzkopf, Prof. Dr.-Ing. A. Matzenmiller, Dipl.-Ing. A. Nelson, Prof. Dr. rer. nat. B. Mayer, Dr. M. Brede, Dr.-Ing. O. Hesebeck, Dipl.-Ing. A. Wulf
