Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenentwicklung zur numerischen Lebensdauerprognose von hyperelastischen Klebverbindungen infolge zyklischer Beanspruchung mittels bruchmechanischer Ansätze

Im Rahmen der immer stärker umgesetzten Mischbau-Modulbauweise gewinnt das Fügen von verschiedenartigen Materialien mit Klebstoffen auf Polyurethanbasis mit hyperelastischem Materialverhalten zunehmend an Bedeutung. Der Einsatz derartiger Klebstoffe führt aufgrund der hohen Nachgiebigkeit zum Abbau von Spannungsspitzen in der Klebschicht und erscheint somit insbesondere bei zyklischen Belastungen vorteilhaft. Um eine systematische Über- und Unterdimensionierung derartiger Klebverbindungen vorzubeugen, bedarf es jedoch einer zuverlässigen Auslegungs- und Qualifizierungsmethode und somit zwangsläufig der Kenntnis bezüglich des Ermüdungs- und Schädigungsverhaltens.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird eine einfach handzuhabende Berechnungsmethode für die Lebensdauerprognose hyperelastischer Klebverbindungen unter zyklischer Beanspruchung mittels bruchmechanischer Ansätze entwickelt und validiert. Die fundamentale Basis für die Modellierung bilden ausgehend von statischen Voruntersuchungen zyklische Rissfortschrittsversuche mit Hilfe geklebter CTS-Proben unter Mode I, Mode II und Mixed-Mode Beanspruchung. Im Rahmen dessen wird auch ein Online Risslängenmessverfahren für hyperelastische Klebstoffsysteme entwickelt. Für die Beanspruchungsanalyse der Klebschicht werden auf Basis kontinuumsmechanischer Grundversuche FE-Berechnungen der Probenkörper durchgeführt. Die aus den Untersuchungen gewonnenen Kennwerte und abgeleiteten Zusammenhänge dienen im Wesentlichen der empirischen Modellierung des Rissfortschritts und somit der Lebensdauer. Die experimentelle und numerische Validierung des Berechnungskonzeptes und somit der Prognosegüte erfolgt auf Basis von Versuchen anhand technologischer Proben.

Abschließend wird eine Berechnungsroutine entwickelt, welche kleinen und mittelständischen Unternehmen in Form von Ingenieurbüros und Zulieferern die automatisierte Prognose der Lebensdauer ermöglicht und zur Optimierung ihrer virtuellen Produktentwicklung führt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde eine Berechnungsmethode zur Lebensdauerprognose von hyperelastischen Klebverbindungen unter zyklischer Beanspruchung auf Grundlage von bruchmechanischen Ansätzen und mathematischen Modellen entwickelt. Dafür erfolgte zunächst eine Charakterisierung des Materialverhaltens aus kontinuums- und bruchmechanischen Gesichtspunkten. Für die kontinuumsmechanische Betrachtung wurden quasistatische und zyklisch laststeigernde Prüfungen sowie Ermüdungsversuche durchgeführt. Anhand der erarbeiteten Daten wurde ein Materialmodell parametrisiert, das als Grundlage für spätere Berechnungen diente. Im Rahmen der bruchmechanischen Charakterisierung des Klebstoffes wurde das Risswachstumsverhalten unter Verwendung verschiedener Parametervariationen untersucht und Rissfortschrittskurven ermittelt. Das darauf aufgebaute mathematische Modell wurde als Basis für das erarbeitete Lebensdauerkonzept genutzt. Das Berechnungskonzept beschreibt die ermittelten zyklischen Daten, d.h. die Lebensdauern der untersuchten Proben, mit einer ausreichenden Genauigkeit. Sowohl Grund- als auch Validierungsversuche können damit abgebildet werden. Aus diesem Grund bieten die Forschungsergebnisse dieses Projektes einer Vielzahl von Unternehmen, auch KMU, wirtschaftlich und wissenschaftlich-technisch wertvolle Erkenntnisse. Zunächst einmal liegt durch die Untersuchungen ein breiter experimenteller Datensatz bezüglich zyklischer Beanspruchungen von hyperelastischen Klebverbindungen vor. Darunter ist auch die umfangreiche Erkenntniserarbeitung über das Risswachstumsverhalten des genannten Klebstoffes aufzufassen. Den größten Nutzen bietet die entwickelte Berechnungsmethode selbst, die eine Produktweiterentwicklung und Fertigungsprozessoptimierung ermöglicht. Zusammengefasst können die Ergebnisse dieses Vorhabens unter anderem zur Bauteilberechnung, zur Weiterentwicklung von hyperelastischen Klebstoffen, zur Produktweiterentwicklung und vielem mehr angewendet werden.