Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle und numerische Untersuchung des Einflusses variabler Betriebstemperaturen auf das Trag- und Versagensverhalten struktureller Klebverbindungen unter Crashbelastung

Das angestrebte Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den Einfluss variabler Betriebstemperaturen von -40 °C bis hin zu hohen Werten von 80 °C auf das mechanische Verhalten geklebter Verbindungen unter Crashbelastung experimentell zu erfassen und simulationstechnisch zu beschreiben. Dabei soll sowohl experimentell als auch numerisch eine grundlegende praxistaugliche Methodik entwickelt und aufgezeigt werden. Damit soll insbesondere klein- und mittelständischen Unternehmen sowie Software-Herstellern und Anwendern von FEM-Simulationen, die Möglichkeit geboten werden, eine optimale und wirtschaftliche Auslegung der Klebverbindungen unter Crashbelastung durchführen zu können.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird zunächst überprüft, inwieweit der Ansatz des temperaturabhängigen TAPO-Modells aus dem FOSTA-Projekt P 878 auf den hier zu betrachtenden, erweiterten Temperaturbereich übertragbar ist. Dadurch wird die Grundlage geschaffen, das erweiterte TAPO Modell auch für weitere ähnliche Klebstoffsysteme einzusetzen. Für die Parametrisierung des temperaturabhängigen TAPO-Modells werden Grundversuche an Zugproben (Kopf- und Scherzug) unter quasistatischer Belastung mit einem Strukturklebstoff (1K-EP-System) durchgeführt. Die Verifikation des temperaturabhängigen TAPO-Modells soll mit Hilfe von experimentellen Versuchen und numerischen Berechnungen an einem weiteren Strukturklebstoff durchgeführt werden. Eine Validierung des temperaturabhängigen TAPO-Modells erfolgt durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten anhand einer Schrägzugprobe. Eine Erweiterung des TAPO-Modells erfolgt zudem durch die Implementierung einer temperaturabhängigen Dehnratensensitivität. Um die industrietaugliche Anwendbarkeit des erarbeiteten temperaturabhängigen TAPO-Modells zu überprüfen, werden abschließend experimentelle und numerische Untersuchungen auf der Ebene technologischer (Musterbauteil-) Proben durchgeführt.

Ergebniszusammenfassung:

Das erzielte Ergebnis dieses Forschungsvorhabens ist die experimentelle Erfassung und numerische Beschreibung des Einflusses variabler Betriebstemperaturen auf die mechanischen Eigenschaften elasto-viskoplastischer Klebverbindungen unter Crashbelastung. Dafür wurde eine sowohl experimentell als auch numerisch grundlegende praxistaugliche Methode entwickelt und aufgezeigt.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das temperatur- und dehnratenabhängige Klebverbindungsverhalten anhand unterschiedlicher Probengeometrien charakterisiert. Dabei zeigen die experimentellen Daten für alle betrachteten Klebstoffe eindeutige und qualitativ ähnliche Temperatur- und Dehnratenabhängigkeiten. Die Ergebnisse belegen eine signifikante Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Klebverbindungen wie Elastizitätsmodul, Fließspannung, Zugfestigkeit, Schädigung und Bruchdehnung von der Temperatur. Während die Fließspannung und die Zugfestigkeit mit steigender Temperatur stetig abnehmen, nehmen die Verformungseigenschaften der Klebverbindungen kontinuierlich zu. Anhand von Grundversuchen wurde das TAPO-Materialmodell temperaturabhängig auf den Temperaturbereich von -40°C bis +80°C erweitert. Dazu wurden die Parameter des Materialmodells als hyperbolische Tangensfunktionen in Abhängigkeit der Temperatur definiert. Um die Modellierung auf den Lastfall Crash zu erweitern, wurde die Ratenabhängigkeit des TAPO-Modells ebenfalls um eine Temperaturabhängigkeit erweitert. Die identifizierten Modellparameter wurden im Schrägzugversuch sowie anhand von technologischen und bauteilähnlichen Proben erfolgreich validiert.

Die entwickelte Methode zur Erfassung des Temperatureinflusses ermöglicht den Anwendern eine wirtschaftliche Abschätzung des Tragverhaltens einer strukturell geklebten Verbindung bereits in der frühen Entwicklungsphase. Dieser Vorteil kommt insbesondere den vielen klein- und mittelständischen Software-Herstellern, Ingenieurbüros und Dienstleistern für FEM-Simulationen zu Gute.