Characterization of a polyurethane adhesive and comparative calibration of different material models in LS-DYNA

Ein einkomponentiger Polyurethanklebstoff zur Anwendung in Montageklebungen im Fahrzeugbau wurde in verschiedenen Substanz-Proben sowie in geklebten Verbindungen mit Stahlblech-Substraten mechanisch charakterisiert. Dabei wurde stichpunktartig auch die Dehnratenabhängigkeit des mechanischen Verhaltens untersucht. Die experimentellen Daten bilden die Grundlage zur vergleichenden Anpassung verschiedener Materialmodelle zur Simulation geklebter Verbindungen für die Crash-Simulation in LS-Dyna. Ziel der Untersuchungen ist unter anderem ein Vergleich des Aufwands zur Parametrisierung der Materialkarten und erzielbarer Genauigkeit in der Abbildung des Deformations- und Versagensverhaltens der Klebverbindung mit unterschiedlichen Materialmodellen, Modelltypen und Herangehensweisen. Auf der Modellseite wird vergleichend der Einsatz von MAT_ARUP_ADHESIVE als Kohäsivzonenmodell zur effizienten Ersatzmodellierung von Fügeverbindungen und MAT_TAPO als Modell zur kontinuumsmechanischen Detailmodellierung sowie auch zur Ersatzmodellierung betrachtet. Als Herangehensweise bei der Modellparameterbestimmung wird unterschieden zwischen Anpassung an experimentelle Daten aus dem Deformations- und Bruchverhalten von geklebten Stahlblech-Verbindungen einerseits und der zusätzlichen Verwendung von experimentellen Untersuchungen von Klebstoffsubstanzproben andererseits. Ergänzend geben Ergebnisse aus Untersuchungen mit computertomografischen in-situ Messungen unter mechanischer Belastung desselben PU-Montageklebstoffs tiefere Einblicke in das Deformations- und Versagensverhalten, das zum Teil durch Kavitation im Inneren der Klebstoffschicht beeinflusst wird. Ziel dieser Untersuchungen ist, den Einfluss prozessbedingter Poren in der Klebschicht zu analysieren, sowie einen Ansatz zur Ermittlung von 3D-Dehnungsfeldern im Klebstoffvolumen mittels digitaler Volumenkorrelation zu erproben. Dies eröffnet erweiterte Möglichkeiten bei der Modellierung mit Richtung Berücksichtigung von Prozesseinflüssen.

A rubber-like polyurethane adhesive was experimentally characterized and parametrized for use of different material models in LS-Dyna. Due to the characteristically large elastic deformations of the material and adhesive layer thicknesses of several mm, established modelling strategies for the simulation of structural adhesive bonding in automotive applications have to be carefully evaluated and necessary adaptations or alternative modelling possibilities have to be considered.