Im Rahmen der Mischbau-Modulbauweise gewinnt das Fügen von artverschiedenen Werkstoffen mit hyperelastischen Klebstoffsystemen zunehmend an Bedeutung. Um diese auch unter zyklischer Beanspruchung sicher und effizient auszulegen, wird in der vorliegenden Arbeit eine Methode für die spannungsbasierte Lebensdauerberechnung von 2K-PU-Klebverbindungen unter Berücksichtigung von iso- sowie anisotropen Fügeteilwerkstoffen aufgezeigt. Ausgehend von den theoretischen Grundlagen wird das Deformations- und Versagensverhalten einer repräsentativen 2K-PU-Klebverbindung in Grundversuchen mit steifen Fügeteilen unter quasistatischer und zyklischer Belastung experimentell untersucht. Dies bildet die Basis für die Modellierung des Klebschichtversagens in Abhängigkeit der Beanspruchungsmehrachsigkeit. Anhand von im Detail aufgebauten FE-Modellen der untersuchten Verbindungen werden die notwendigen Ansatzparameter identifiziert, verifiziert und in einer Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der Klebschichtdiskretisierung in Bezug auf ihre Robustheit und einfache Anwendbarkeit bewertet. Eine abschließende Validierung der entwickelten Methode erfolgt mit zunehmender Komplexität an technologischen und bauteilähnlichen Verbindungsproben. Die Gegenüberstellung der numerisch berechneten mit der experimentellen Anriss- und Versagenslebensdauer belegt ein hohes Maß an Sicherheit und trägt somit zum Vertrauen in die Fügetechnologie Kleben bei.
Aktualisiert: 2021-09-09
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Hochfeste, zähmodifizierte Epoxid-Klebstoffe (EP-Klebstoffe) haben sich in der Automobilindustrie als Fügeverbindung im metallischen Rohbau etabliert. Um zukünftig weitere Leichtbaupotenziale erschließen zu können, stehen aktuell Multi-Material-Bauweisen im Blickpunkt der Entwicklung, woraus auch neue Herausforderungen an die Fügetechnik im Allgemeinen und die Klebtechnik im Speziellen resultieren. In einer Multi-Material-Struktur aus metallischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen ist der Einsatz von EP-Klebstoffen aus verschiedenen Gründen nur noch in begrenztem Umfang zielführend. Stattdessen bieten Polyurethan-Klebstoffe (PU-Klebstoffe) an dieser Stelle eindeutige Vorteile, wie zum Beispiel eine größere Nachgiebigkeit beim Fügen von Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Eine wichtige Dimensionierungsgröße während der Fahrzeugauslegung stellt die Betriebsfestigkeit dar. Allerdings stehen derzeit noch keine Simulationsmethoden zur Verfügung, um die Lebensdauer für PU-Klebstoffe, mit ihrem nicht linear-elastischen, gummiähnlichen Materialverhalten, numerisch zu bestimmen.
Auf Basis bruchmechanischer Ansätze wird deshalb eine Methodik für die Lebensdauerberechnung von PU-Klebstoffen entwickelt. Die Kenngrößen für die Materialcharakterisierung können dabei mit Hilfe weniger standardisierter Versuche, wie dem Risswachstumsversuch, bestimmt werden. Schlussendlich erlaubt es die Methodik, eine Aussage über die zu erwartende Lebensdauer von PU-Klebverbindungen unter verschiedenen Beanspruchungsarten und Spannungsverhältnissen zu treffen.
Aktualisiert: 2019-12-12
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