Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lebensdauerprognose für Stahlklebverbindungen bei multiaxialer Belastung mit Phasenverschiebung, veränderlicher Mittelspannung und variablen Amplituden

Das Vorhaben „Lebensdauerprognose für Stahlklebverbindungen bei multiaxialer Belastung mit Phasenverschiebung, veränderlicher Mittelspannung und variablen Amplituden LAMbdA“ greift aktuelle Fragestellungen aus der Industrie zur Prognose des Tragverhaltens struktureller Stahlklebverbindungen auf.

Durch die Einführung der DIN 2304 ergibt sich branchenübergreifend ein zunehmender Bedarf an Berechnungsdienstleistungen für Klebverbindungen. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) bieten postprozessorbasierte Lebensdaueranalysen an. Die im Projekt erarbeiteten Methoden richten sich an KMU, die ihr Berechnungsangebot erweitern oder sich branchenübergreifend neue Geschäftsfelder im Bereich der Klebschichtberechnung aufbauen wollen.

Stahlklebverbindungen sind in Fahrzeugen und industriellen Großanlagen komplexen multiaxialen Belastungen ausgesetzt, welche die Lebensdauer der Verbindung herabsetzen. Dieses Problem entzieht sich bisher einer umfänglichen Berechnung, weil bekannte Berechnungshypothesen aufgrund der komplexen Beanspruchung nicht anwendbar sind.

Das Projekt hat zum Ziel, die Lebensdauer der Klebschicht unter diesen komplexen Belastungen effizient, d. h. mit Postprozessoren, abschätzen zu können. Dafür sollen Methoden entwickelt werden, die den Einfluss variabler Amplituden und Mittelspannungen auf die Lebensdauer bei veränderlichen Hauptspannungsrichtungen beschreiben. Dabei wird eine praxistaugliche Genauigkeit von weniger als einer Dekade angestrebt.

Zur Lösung des Problems wird spezielle Versuchstechnik eingesetzt, mit der Hauptspannungsrichtung, Mittelspannung und Amplitude variiert und das Verhalten der Probe gemessen und beobachtet werden kann. Anhand der experimentellen Befunde werden Werkstoffmodelle so weiterentwickelt, dass die Effekte der kontrollierten Einflussgrößen auf die Lebensdauer möglichst genau beschrieben werden können. Anschließend wird die Prognosefähigkeit anhand unabhängiger Berechnungen und Versuchsdaten nachgewiesen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Vorhaben P 1427 / IGF-Nr. 21112 N hat zum Ziel, die Lebensdauer unter komplexen Belastungen effizient und zuverlässig abschätzen zu können. Die wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse besteht darin, dass die Werkstoffparameter und Methoden direkt zur Modellierung der Lebensdauer verwendet werden können. Dazu gehören neben den experimentellen Ermüdungsdaten (und den entsprechenden Kennwerten) auch die Methoden zur Lebensdauerabschätzung sowie Informationen über deren Berechnungsanforderungen und Prognosefähigkeit. Der Einsatz von Berechnungsmethoden kann den Umfang der Versuche reduzieren und die Kosteneffizienz erhöhen. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, die im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten Methoden in Software zu implementieren, die kommerziell verfügbar gemacht werden kann. Erkenntnisse über das Materialverhalten und die Eigenschaften von Klebverbindungen können direkt in der Klebstoffentwicklung und bei der Konstruktion von geklebten Strukturen genutzt werden. Die Innovation ist die Anwendung von Berechnungsmethoden zur Lebensdauerabschätzung von geklebten Stahlkonstruktionen unter multiaxialer, nichtproportionaler Belastung mit variierender Mittelspannung. Die Anwendung von Methoden zur Lebensdauerabschätzung in der Entwurfsphase verkürzt die Entwicklungszeit von geklebten Komponenten und erhöht das Innovationspotenzial der Klebtechnik. Die Implementierung des rheologischen Modells trägt zur Weiterentwicklung kommerziell verfügbarer Berechnungsprogramme im Hinblick auf die Verbesserung der Prognosefähigkeit für die Lebensdaueranalyse von Klebverbindungen bei. Dadurch können strukturelle Klebverbindungen gezielter entworfen werden, was wiederum zu neuen Möglichkeiten der Produktoptimierung im Hinblick auf den Multi-Material-Leichtbau führt. Im weiteren Sinne könnte die Möglichkeit der Erzeugung von Leichtbaustrukturen die Reduzierung Energieverbrauchs ermöglichen, was einen Beitrag zu nachhaltigeren Stahlkonstruktionen darstellt.