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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Lebensdauerberechnung hybrider Klebverbindungen – Prüf- und Modellierungsstrategie zur Betriebsfestigkeitsanalyse von semistrukturellen Klebverbindungen mit FKV-Fügepartner

Freitag (20.09.2019)
12:00 - 12:30 Uhr Musikzimmer
Bestandteil von:


In vielen Bereichen des Maschinenbaus bietet der hybride Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen (FKV) in Kombination mit Metallen großes Potential für die Reduktion bewegter Massen, beispielsweise bei der Umsetzung innovativer Mobilitätskonzepte. Dabei werden zunehmend kaltaushärtende elastische Polyurethanklebstoffe in sog. semistrukturellen Klebungen eingesetzt. Aufgrund des hyperelastischen Materialverhaltens und der Verwendung großer Klebschichtdicken wird das Fügen von Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie das Kompensieren großer Fertigungstoleranzen ermöglicht. Für diese Klebstoffgruppe fehlen jedoch derzeit geeignete Auslegungs- und Qualifizierungsmethoden, insbesondere für zyklische Beanspruchungen. Weiterhin stellt die Modellierung des Versagensverhaltens des anisotropen FKV unter den für Klebverbindungen typischen multiaxialen Beanspruchungen mit signifikanten out-of-plane Anteilen eine Herausforderung dar. Das komplexe Klebstoff- und Fügeteilwerkstoffverhalten stellt somit die Gültigkeit vorhandener Berechnungskonzepte in Frage.

In diesem Beitrag wird daher die Entwicklung einer anwendungsnahen Methode zur Lebensdauerberechnung für semistrukturelle Klebverbindungen unter Berücksichtigung des hyperelastischen Materialverhaltens mit einer Beteiligung von FKV als Fügeteilwerkstoff vorgestellt. Dabei werden zunächst die einzelnen Komponenten (Klebstoff, Fügeteilwerkstoff) experimentell in quasistatischen Zug-, Druck-, Schub- und zyklischen Wöhlerversuchen charakterisiert und der numerischen Modellierung der Verbindung zugrunde gelegt. Für das untersuchte CFK werden dabei in-plane und out-of-plane Beanspruchungen berücksichtigt. In Versuchen zur Verbindungscharakterisierung mit aufsteigender Komplexität wird das Versagensverhalten derartiger Verbindungen untersucht. Die Auswertung der lokalen Beanspruchungsverteilung in der Klebverbindung mit Hilfe der FEM dient dabei der Identifikation einer versagenskritischen Beanspruchungsgröße. Die Zusammenführung der erarbeiteten Methoden erfolgt im Rahmen der Entwicklung eines praxisorientierten Metamodells zur recheneffizienten Lebensdauerberechnung geklebter Strukturen. Mit Hilfe eines fein diskretisierten Submodells der Klebverbindung wird dabei unter Verwendung der entwickelten Materialmodelle die Ermüdungslebensdauer für eine Vielzahl von Schnittgrößenkombinationen vorausberechnet und mittels Regression der linear-elastischen Gesamtstrukturberechnung bereitgestellt.

Sprecher/Referent:
Dipl.-Ing. Karsten Tittmann
Technische Universität Dresden
Weitere Autoren/Referenten:
  • Dr. Ilja Koch
    Technische Universität Dresden
  • Prof. Dr. Maik Gude
    Technische Universität Dresden
  • Serkan Çavdar
    Universität Paderborn
  • Dr. Dominik Teutenberg
    Universität Paderborn
  • Prof. Dr. Gerson Meschut
    Universität Paderborn
  • Jens-David Wacker
    Technische Universität Darmstadt
  • Gudrun Rybar
    Technische Universität Darmstadt
  • Prof. Dr. Tobias Melz
    Technische Universität Darmstadt
  • Andreas Wulf
    Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
  • Dr. Markus Brede
    Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
  • Dr. Olaf Hesebeck
    Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
  • Prof. Dr. Bernd Mayer
    Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)