CFK UND KLEBEFÜGUNGEN IN DER FAHRZEUGSIMULATION · 2020. 9. 10. · 3 Bruchmechanisches Experiment...
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Dr. Monika Gall | Telefon +49 761 5142-218 | [email protected] PD Dr. Jörg Hohe | Telefon +49 761 5142-340 | [email protected] Ansprechpartner FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR WERKSTOFFMECHANIK IWM WÖHLERSTRASSE 11 | 79108 FREIBURG CFK UND KLEBEFÜGUNGEN IN DER FAHRZEUGSIMULATION Im Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen (FVK) weisen Klebefügungen gegenüber mechanischen Verbindungsmitteln einige Vorteile auf. Insbesondere werden durch die Klebung keine Fasern durchtrennt. Ein großes Einsatzgebiet ist der Fahrzeugbau. Hier muss das Trag- und Versagensverhalten der Klebefügungen zur Fahrzeugauslegung vorab zuverlässig analysiert werden können. Die für diesen Zweck in der Fahrzeugsimulation eingesetzten Simulationsmethoden (Kohäsivzonen-Ersatzmodelle, Abbildung 1) müssen möglichst genau und effizient sein. 1 Effizientes Modell eines geklebten DCB-Versuchs mit Schalen- modellierung der CFK-Laminate und Kohäsivzonenmodellierung der Klebschicht. Komplexe Wechselwirkung von Material- und Strukturparametern Aufgrund der stark unterschiedlichen und anisotropen Steifigkeiten der verschiedenen Fügepartner liegen in FVK-Klebefügungen kom- plexe Spannungszustände vor. Die spezifische Versagenslast und das Versagensverhalten der Verbindung werden sowohl durch die Materialeigenschaften des Klebstoffs und der Fügepartner sowie auch durch Struktureigenschaften wie Klebschichtdicke und Sub- stratgeometrie beeinflusst. Je nachdem kann kohäsives Versagen in der Klebschicht, adhäsives Versagen in der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Laminat, Versagen in der angrenzenden Laminat- schicht oder eine Kombination auftreten (Abbildung 2). Jede zu bewertende Paarung der Struktur- und Materialparameter muss daher charakterisiert werden. 2 Gemischte Versagensmechanismen einer geklebten CFK-Probe nach dem DCB-Versuch. Experimentelle Charakterisierung von Klebefügungen und effiziente virtuelle Parameterermittlung Eine zuverlässige und systematische Charakterisierung des Trag- und Versagensverhaltens geklebter Fügeverbindungen als Basis für die Fahrzeug- oder Bauteilsimulation erfordert eine abgestimmte experimentelle Versuchsmatrix. So werden am Fraunhofer IWM z.B. die Bruchzähigkeit unterschiedlicher Klebeschichten im Modus I und II im »Double Cantilever Beam« (DCB, Abbildung 3), »End Notch Flexure« (ENF) und Mixed-Mode Versuch bestimmt. Der experimentelle Aufwand kann durch die virtuelle Ermittlung von Kohäsivzonen-Parametern deutlich reduziert werden. Am Fraunhofer IWM wird hierfür ein Homogenisierungsansatz genutzt, der die virtuelle Vorhersage der Kohäsivzonen-Parameter anstelle ihrer experimentellen Bestimmung erlaubt. Die Methodik kohäsives Versagen der Klebschicht Versagen im angrenzenden Laminat adhäsives Versagen im Interface zwischen Laminat und Klebschicht bzw. Bindefehler Kohäsivzonenelemente CFK-Schalenelemte u Last
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Dr. Monika Gall | Telefon +49 761 5142-218 | [email protected]
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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R W E R K S T O F F M E C H A N I K I W M
W Ö H L E R S T R A S S E 1 1 | 7 9 1 0 8 F R E I B U R G
CFK UND KLEBEFÜGUNGENIN DER FAHRZEUGSIMULATION
Im Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen (FVK) weisen
Klebefügungen gegenüber mechanischen Verbindungsmitteln
einige Vorteile auf. Insbesondere werden durch die Klebung keine
Fasern durchtrennt. Ein großes Einsatzgebiet ist der Fahrzeugbau.
Hier muss das Trag- und Versagensverhalten der Klebe fügungen zur
Fahrzeugauslegung vorab zuverlässig analysiert werden können.
Die für diesen Zweck in der Fahrzeugsimulation eingesetzten
Simulationsmethoden (Kohäsivzonen-Ersatzmodelle, Abbildung 1)
müssen möglichst genau und effizient sein.
1 Effizientes Modell eines geklebten DCB-Versuchs mit Schalen -
model lierung der CFK-Laminate und Kohäsivzonenmodellierung
der Klebschicht.
Komplexe Wechselwirkung von Material- und
Struktur parametern
Aufgrund der stark unterschiedlichen und anisotropen Steifigkeiten
der verschiedenen Fügepartner liegen in FVK-Klebefügungen kom-
plexe Spannungszustände vor. Die spezifische Versagenslast und
das Versagensverhalten der Verbindung werden sowohl durch die
Materialeigenschaften des Klebstoffs und der Fügepartner sowie
auch durch Struktureigenschaften wie Klebschichtdicke und Sub -
stratgeometrie beeinflusst. Je nachdem kann kohäsives Versagen
in der Klebschicht, adhäsives Versagen in der Grenzfläche zwischen
Klebstoff und Laminat, Versagen in der angrenzenden Laminat-
schicht oder eine Kombination auftreten (Abbildung 2). Jede zu
bewertende Paarung der Struktur- und Materialparameter muss
daher charakterisiert werden.
2 Gemischte Versagensmechanismen einer geklebten CFK-Probe nach
dem DCB-Versuch.
Experimentelle Charakterisierung von Klebefügungen
und effiziente virtuelle Parameterermittlung
Eine zuverlässige und systematische Charakterisierung des Trag-
und Versagensverhaltens geklebter Fügeverbindungen als Basis
für die Fahrzeug- oder Bauteilsimulation erfordert eine abgestimmte
experimentelle Versuchsmatrix. So werden am Fraunhofer IWM
z.B. die Bruchzähigkeit unterschiedlicher Klebe schichten im
Modus I und II im »Double Cantilever Beam« (DCB, Abbildung 3),
»End Notch Flexure« (ENF) und Mixed-Mode Versuch bestimmt.
Der experimentelle Aufwand kann durch die virtu elle Ermittlung
von Kohäsivzonen-Parametern deutlich reduziert werden. Am
Fraunhofer IWM wird hierfür ein Homogenisierungsansatz
genutzt, der die virtuelle Vorhersage der Kohäsivzonen-Parameter
anstelle ihrer experimentellen Bestimmung erlaubt. Die Methodik
kohäsives Versagen der Klebschicht
Versagen im angrenzenden Laminat
adhäsives Versagen im Interface zwischen Laminat und Klebschicht bzw. BindefehlerKohäsivzonenelemente
CFK-Schalenelemte
uLast
3 Bruchmechanisches Experiment einer geklebten CFK-Probe,
die im DCB Test senkrecht zur Klebebene aufgerissen wird.
basiert auf der Simulation des fortschreitenden Versagens der
Laminatfügung in einem detaillierten, hochaufgelösten Modell mit
kontinuumsmechanischer Modellierung des Schädigungsverhaltens.
Die Steifigkeits- und Schädigungsparameter werden aus Zug- und
Scher-Versuchen an Klebstoff-Substanzproben abgeleitet. Durch
den Homogenisierungsansatz (Abbildung 4) wird das Trag- und
Versagensverhalten des detaillierten Modells der Klebefügung auf
das effiziente Kohäsivzonenmodell abgebildet. Hierdurch wird eine
effiziente Gestaltung und Optimierung von Klebefügungen unter
Berücksichtigung sämtlicher mikromechanischer Effekte ohne
zusätzlichen experimentellen Aufwand möglich.
Danksagung
Dieses Projekt wurde durch das Ministerium für Wissen-
schaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und
die Baden-Württemberg Stiftung GmbH innerhalb des
Technologieclusters Baden-Württemberg TC² gefördert.
4 Übertragungsansatz vom kontinuumsmechanischen Detailmodell zum effizienten Kohäsivzonenmodell.
CFK-Substrat CFK-Substrat
Klebstoff Kohäsivzone
CFK-Substrat CFK-Substrat
![Herstellung und Eigenschaften von geklebten Vollholzprodukten...eine Liste der in den Bundesländern umgesetzten Fassungen der MLTB [10] können erneut von der Homepage herunter geladen](https://static.fdokument.com/doc/165x107/60f8b2729d5d5252ee437f1e/herstellung-und-eigenschaften-von-geklebten-vollholzprodukten-eine-liste-der.jpg)
