Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Nachweisführung für die Beanspruchbarkeit von hyperelastischen Klebverbindungen unter betriebsrelevanten Bedingungen II

Zur Zulassung von elastischen Klebverbindungen im Schienenfahrzeugbau ist der Nachweis der Sicherheit unter allen relevanten Betriebsbedingungen zu erbringen. Trotz verfügbarer Regelwerke gibt es im Detail der Ausführung noch weitreichende Unsicherheiten. Dies betrifft die Handhabung der normativen Lastfälle, die wirkenden und für die Alterung relevanten Feuchte- und Temperaturbedingungen sowie die werkstoffgerechte Beschreibung des Klebstoffverhaltens. Auf Grundlage der Ergebnisse eines vorausgegangenen Projektes werden die dort begonnenen methodischen Arbeiten im vorliegenden Projekt verfeinert und optimiert.

Ziel des hier beantragten Nachfolgeprojektes ist, eine weitgehend validierte, möglichst einfach anzuwendende Methode für die Nachweisführung zu erarbeiten. Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik wird die zu entwickelnde Methode Überdimensionierungen von Klebverbindungen verringern, um Gewicht und Kosten einzusparen. Gleichzeitig wird die größtmögliche Sicherheit des Nachweisverfahrens angestrebt, um weitere Anwendungen für hyperelastische Klebverbindungen im semi-strukturellen Bereich erschließen und die Risiken eines Verbindungsversagens verringern zu können. Ein drittes Ziel ist die Beschränkung der Experimente im Nachweisprozess auf ein notweniges Minimum, um Entwicklungszeiten und Kosten zu reduzieren. Alle genannten Aspekte sind besonders für KMU von hohem Nutzen. Die Arbeiten sollen am Beispiel eines typischen PU- und MS-Klebstoffs durchgeführt werden. Im Fokus des Forschungsprojektes stehen der hydrostatische Spannungszustand, der sich im vorausgehenden Projekt als kritisch erwiesen hat, das Kriechverhalten von SMP Klebstoffen, das mit dem Kriechgesetz nach DIN 6701-3 nicht hinreichend beschrieben werden kann, sowie eine weitere Validierung der Methoden und Abminderungsfaktoren. Die Projektergebnisse können in andere Bereiche (Nutzfahrzeugbau, Schiffbau, Bau) übertragen werden, wo eine Nachweisführung für elastische Klebungen nötig ist.

Ergebniszusammenfassung:

Das Vorhaben IGF-20665-N befasste sich mit dem Nachweisverfahren für geklebte Strukturen mit hyperelastischen Klebstoffen. Die Zielsetzung bestand darin, eine weitgehend validierte Methode zur Nachweisführung bereitzustellen. Die erzielten Ergebnisse liefern mehrere relevante Beiträge zur Verbesserung des Nachweises, die Entwicklungszeit und Kosten in der Entwurfsphase von geklebten Strukturen reduzieren können. Darüber hinaus trägt die validierte Berechnung zur Erhöhung der Sicherheit und Akzeptanz der Klebtechnik in allen Zweigen des Transportmittelbaus bei. Die vorgestellte Methode zur Implementierung hyperelastischer Modelle erfordert einen geringen Versuchsaufwand. Die validierte Methode zur Bestimmung des Kompressionsmoduls stellt eine konsistente und genaue Methode zur Bestimmung des volumetrischen Anteils des hyperelastischen Modells dar. Gleichzeitig ist damit eine genauere Bestimmung der Poissonzahl möglich als im einachsigen Zugversuch. Das erprobte, parameterfreie Bemessungskriterium für quasistatische Belastung ist robust und erfordert nur die Kenntnis der Zugfestigkeit, die leicht zu ermitteln ist. Ein Ansatz zur numerischen Berechnung der Feuchtigkeitsverteilung in der Klebschicht mittels FE-Analyse wurde über Versuche validiert. Somit kann in komplexen, geklebten Strukturen bei bekannten Umgebungsbedingungen der Feuchtigkeitsgehalt berechnet werden, womit sich reale Betriebsbedingungen bei der mechanischen Prüfung im Labor abbilden lassen. Der Ansatz wurde zur Ermittlung von Abminderungsfaktoren unter realitätsnahen Bedingungen angewendet. Ein Ansatz zur Bewertung der Betriebsfestigkeit hyperelastischer Klebverbindungen wurde weiterentwickelt und validiert, der für die betrachteten Klebstoffe unter den gewählten Randbedingungen zu konservativen Lebensdauerprognosen führte. Mit den entwickelten Kriechgesetzen kann eine Bewertung des Langzeitverhaltens unter statischer Dauerlast erfolgen.