Methfessel, Thomas (2024)
Thermomechanische Modellierung und bruchmechanische Versagensanalyse von dickschichtigen Klebverbindungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026691
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Einsatz von Klebverbindungen bietet aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit, des beschädigungsfreien Fügeprozesses und der flächig verteilten Lastübertragung viele Vorteile gegenüber anderen Verbindungsarten. Insbesondere im Bereich des konstruktiven Leichtbaus finden Klebverbindungen daher eine breite Anwendung. Aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeiten von Klebstoff und Fügepartnern sowie des Auftretens geometrisch bedingter Kerben weisen Klebverbindungen jedoch ein sehr komplexes strukturmechanisches Verhalten auf und sind versagensanfällig. Für eine sichere Auslegung geklebter Strukturen sind daher geeignete Analysekonzepte erforderlich, mit denen die Lastübertragung und das Versagensverhalten von Klebverbindungen angemessen abgeschätzt werden können. Analytische Modelle eignen sich dabei aufgrund ihrer Einfachheit und Effizienz besser als aufwendige experimentelle Versuche. Zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer analytischen Modellierung zur Erfassung des mechanischen Verhaltens von Klebverbindungen mit dickerer Klebschicht. Da bestehende Modelle fast ausschließlich für Verbindungen mit sehr dünnen Klebschichten geeignet sind, wird in dieser Arbeit ein Modell mit einem Verschiebungsansatz höherer Ordnung für die Klebschicht vorgestellt, das eine genauere Beschreibung des Verformungsverhaltens in Klebschichtdickenrichtung erlaubt. Das zugehörige Differentialgleichungssystem zur Beschreibung der Klebverbindung wird unter Anwendung der linearen Elastizitätstheorie mit Hilfe des Prinzips vom Minimum des Gesamtpotentials hergeleitet und einer Lösung zugeführt. Die Eignung des vorgestellten Modells wird anhand vorgenommener Spannungsermittlungen für verschiedene Belastungssituationen und unterschiedliche Fügekonfigurationen im Vergleich zu Finite-Elemente-Berechnungen und bestehenden analytischen Modellen gezeigt. Die Vorteile des vorliegenden analytischen Modells zeigen sich mit zunehmender Klebschichtdicke insbesondere bei der Darstellung lokaler Spannungsspitzen am äußeren Rand der Klebschicht von einschnittigen Überlappungsfügungen. An die Modellierung der Klebverbindung schließt sich eine Versagensbewertung zur Analyse von spröden Grenzschichtbrüchen mit dem gekoppelten Spannungs- und Energiekriterium der Finiten Bruchmechanik an. Ein in dieser Arbeit entwickelter Optimierungsalgorithmus ermöglicht unter Berücksichtigung des nicht monotonen Verlaufs der Energiefreisetzungsrate die Abschätzung der kritischen Versagenslast, bei der ein Riss initiiert wird, der zum Versagen der Klebverbindung führt. Durch eine geeignete analytische Modellierung des Risses ist es möglich, die während des Rissprozesses entstehende Rissöffnung und die dabei freigesetzte Energie, die eine zentrale Rolle im Versagensprozess spielt, genau zu erfassen. Die so ermittelten kritischen Versagenslasten werden in Parameterstudien für verschiedene Struktursituationen und Belastungsfälle untersucht und mit numerischen und experimentellen Referenzergebnissen validiert.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen