Beschreibung
P 796 – Schwingfestigkeitsauslegung von geklebten Stahlbauteilen des Fahrzeugbaus unter Belastung mit variablen Amplituden
Die strukturelle Klebtechnik mit hochfesten Stahlblechen spielt im Automobilbau eine zunehmend wichtige Rolle. Für neue Entwicklungen sind Berechnungsund Simulationsverfahren zur Auslegung geklebter Leichtbaustrukturen unabdingbar. Dies trifft insbesondere für die Schwingfestigkeitsbetrachtung zu.
Die meisten analytischen oder numerischen Ansätze gehen davon aus, dass die Klebverbindung kohäsiv im Klebstoff und nicht entlang der Grenzfläche zwischen Fügeteil und Klebstoff versagt. Auf Grundlage dieser Voraussetzung wurden zwei verschiedene Ansätze zur Lebensdauerabschätzung betrachtet:
Ein erster Ansatz verwendet den lokalen Spannungszustand in den hochbeanspruchten Bereichen der Verbindung und vergleicht die lokalen Belastungen mit experimentell gemessenen Wöhlerkurven. Der lokale Spannungszustand wird mit Hilfe der Finite- Element Rechnung ermittelt. Für den Klebstoff wird ein linear elastisches Werkstoffverhalten verwendet.
Die Lebensdauerabschätzung wird mit einer Post- Processing-Software vorgenommen, die den lokalen Spannungszustand in jedem Element, bzw. in einem ausgewählten Bereich, auf eine Lebensdauer abbildet, die auf Grundlage der experimentellen Daten vorliegt. Der zweite Ansatz verwendet Werkstoffmodelle, die die Schädigung kumulieren, die durch Kriechen und Schwingbeanspruchung entsteht. Die Kumulation erfolgt transient, Schwingspiel für Schwingspiel. Beide Ansätze verwenden die gleichen experimentellen Daten.
Der erste Ansatz erlaubt eine schnelle Berechnung, benötigt aber Erfahrung und verschiedene Experimente zur Kalibrierung und Absicherung und letztendlichen Abschätzung der Zuverlässigkeit der Lebensdauerschätzung. Der zweite Ansatz benötigt immer noch Rechenzeiten, die in der Größenordnung der Versuchszeiten liegen. Die Rechenzeiten können mit einem vorgeschlagenen Ersatzlastkonzept reduziert werden.
Realstrukturen sind normalerweise nicht mit konstanten Amplituden belastet, wie man sie zur Messung der Wöhlerkurven verwendet. Deshalb wurde das Ermüdungsverhalten von Klebverbindungen auch bei Belastung mit variablen Amplituden untersucht. Die Schadensakkumulation wurde auf Grundlage der Palmgren-Miner Hypothese betrachtet.
Experimente mit einem zähmodifizierten und einem nicht zähmodifizierten Klebstoff haben gezeigt, dass die notwendige grundlegende Datenbasis, die zur Abschätzung der Lebensdauer benötigt wird, vom Typ des Klebstoffs abhängen kann.
Das IGF-Vorhaben 307 ZN der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde am Institut für Mechanik (IfM), Universität Kassel, im Fachgebiet Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik (SzM), Technische Universität Darmstadt und am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen, durchgeführt und über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Autoren:
A. Matzenmiller, B. Kumatowski, H. Hanselka, T. Bruder, H. Schmidt, B. Mayer, B. Schneider, H. Kehlenbeck, C. Nagel
Veröffentlichung:
2012
