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Schwingfestigkeitsauslegung von geklebten Stahlbauteilen des Fahrzeugbaus unter Belastung mit variablen Amplituden

Förderkennzeichen AiF 307 ZN
Design of adhesive joints with steel components at loading with variable amplitudes for vehicle construction
 
: Matzenmiller, A.; Kurnatowski, B.; Hanselka, H.; Bruder, T.; Schmidt, H.; Mayer, B.; Schneider, B.; Kehlenbeck, H.; Nagel, C.; Brede, M.
: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. -FOSTA-

Düsseldorf: Verlag und Vertriebsgesellschaft, 2012, XXIII, XIX, 276 S.
Forschung für die Praxis. P, 796
ISBN: 978-3-942541-17-6
Deutsch
Bericht
Fraunhofer IFAM ()

Abstract
Die strukturelle Klebtechnik mit hochfesten Stahlblechen spielt im Automobilbau eine zunehmend wichtige Rolle. Für neue Entwicklungen sind Berechnungs- und Simulationsverfahren zur Auslegung geklebter Leichtbaustrukturen unabdingbar. Dies trifft insbesondere für die Schwingfestigkeitsbetrachtung zu. Die meisten analytischen oder numerischen Ansätze gehen davon aus, dass die Klebverbindung kohäsiv im Klebstoff und nicht entlang der Grenzfläche zwischen Fügeteil und Klebstoff versagt. Auf Grundlage dieser Voraussetzung wurden zwei verschiedene Ansätze zur Lebensdauerabschätzung betrachtet: Ein erster Ansatz verwendet den lokalen Spannungszustand in den hochbeanspruchten Bereichen der Verbindung und vergleicht die lokalen Belastungen mit experimentell gemessenen Wöhlerkurven. Der lokale Spannungszustand wird mit Hilfe der Finiten Element Rechnung ermittelt. Für den Klebstoff wird ein linear elastisches Werkstoffverhalten verwendet. Die Lebensdauerabschätzung wird mit einer Post-Processing-Software vorgenommen, die den lokalen Spannungszustand in jedem Element, bzw. in einem ausgewählten Bereich, auf eine Lebensdauer abbildet, die auf Grundlage der experimentellen Daten vorliegt. Der zweite Ansatz verwendet Werkstoffmodelle, die die Schädigung kumulieren, die durch Kriechen und Schwingbeanspruchung entsteht. Die Kumulation erfolgt transient, Schwingspiel für Schwingspiel. Beide Ansätze verwenden die gleichen experimentellen Daten. Der erste Ansatz erlaubt eine schnelle Berechnung, benötigt aber Erfahrung und verschiedene Experimente zur Kalibrierung und Absicherung und letztendlichen Abschätzung der Zuverlässigkeit der Lebensdauerschätzung. Der zweite Ansatz benötigt immer noch Rechenzeiten, die in der Größenordnung der Versuchszeiten liegen. Die Rechenzeiten können mit einem vorgeschlagenen Ersatzlastkonzept reduziert werden. Realstrukturen sind normalerweise nicht mit konstanten Amplituden belastet, wie man sie zur Messung der Wöhlerkurven verwendet. Deshalb wurde das Ermüdungsverhalten von Klebverbindungen auch bei Belastung mit variablen Amplituden untersucht. Die Schadensakkumulation wurde auf Grundlage der Palmgren-Miner Hypothese betrachtet. Experimente mit einem zähmodifizierten und einem nicht zähmodifizierten Klebstoff haben gezeigt, dass die notwendige grundlegende Datenbasis, die zur Abschätzung der Lebensdauer benötigt wird, vom Typ des Klebstoffs abhängen kann.

 

The structural adhesive bonding with sheet steel plays an increasing and important role in automotive industry. Methods for light weight design and simulation of bonded structures are necessary for new developments, especially for the fatigue load case. Most mathematical and numerical design approaches assume that the adhesive joint fails cohesively inside the adhesive bulk and not along the boundary between the adherend and the adhesive. With this assumption two approaches for lifetime estimation were considered in the project: The first approach uses the local stress state at highly stressed regions in the joint and compares the local loading with S-N-curves which were measured experimentally. The local stress state is calculated with Finite-Element- Analysis only using a linear elastic material law for the adhesive. The lifetime estimation is done with post-processing software which maps the local stress in each element, or a defined area, respectively, to the lifetime on the basis of generic experimental data. The second approach considers constitutive equations which model the damage caused by fatigue and creep and cumulates the damage during transient numerical calculations cycle by cycle at given mean loads and amplitudes. Both approaches use the same experimental data. The first approach is fast with respect to calculation time, but requires experience and several different experiments for calibration and validation and final estimation of the reliability to predict the right lifetime. The second approach still needs calculation time which is in the order of time which is used for the experiments. The run time could be reduced significantly by replacing the transient calculation with an equivalent static load. Real structures are normally not loaded with constant amplitudes which are applied to measure S-N-curves. Therefore, the fatigue behaviour of adhesive joints was also considered at loading conditions with variable amplitudes. Damage accumulation is considered with the Palmgren-Miner rule. Experiments with a toughened and a non-toughened structural adhesive have shown that the generic experimental database which is necessary for lifetime estimation might depend on the type of the adhesive.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-238874.html