Materialcharakterisierung und -modellierung zur Simulation von Klebverbindungen mit Polyurethanklebstoffen
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- Käthe Klaudia Jaeger
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1 Berichte aus dem Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Band 110 Gerson Meschut Sebastian Patrick Sikora Materialcharakterisierung und -modellierung zur Simulation von Klebverbindungen mit Polyurethanklebstoffen D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2015
2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2014 Copyright Shaker Verlag 2015 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
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4 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Anstellung als Doktorand in der Forschung & Vorentwicklung bei der Daimler AG in Sindelfingen. Die Aussagen, Ergebnisse und Schlüsse dieser Dissertation sind allerdings nicht notwendigerweise die der Daimler AG. Für die Betreuung seitens des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn möchte ich mich zu aller Erst bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut bedanken, der diese Arbeit in Kooperation mit der Daimler AG möglich gemacht hat. Ebenso sei Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Kolling von der TH Mittelhessen Gießen gedankt, dass er seine Expertise bezüglich der Simulation von elastomeren Werkstoffen und Empfehlungen zur Orientierung der Arbeit als Korreferent eingebracht hat. Auch herzlichen Dank an Herrn Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn für die Übernahme des weiteren Korreferats. Ich bedanke mich bei meinen Daimler-Kollegen, die für den Rahmen dieser Arbeit und ein angenehmes Arbeitsklima gesorgt haben: allen voran meinem Teamleiter Herrn Dr.-Ing. Norbert Dölle und Herrn Dr.-Ing. Martin Kögl, meinem fachlichen Betreuer, der mit seinen Anregungen und Ansprüchen diese Arbeit stark geprägt und mich stets in meinem Vorhaben unterstützt hat. Ein weiterer besonderer Dank an Herrn Dipl.-Ing. Martin Kaßner für die angenehme, effektive Zusammenarbeit. Ich möchte an dieser Stelle auch die studentischen Hilfskräfte dankend erwähnen, die in Teilbereichen der Arbeit engagiert mitgewirkt haben: die Herren Eugen Danilenko, Jan Pagenkopf, Peter Geuting und Eddy David. Aus der Serienberechnung möchte ich besonders Herrn Dr.-Ing. Mario Timmel meinen Dank für seine Hinweise zur Materialmodellierung aussprechen. Darüber hinaus bedanke ich mich bei den Kollegen aus der Produktions- und Werkstofftechnik (PWT) der Daimler AG für die Unterstützung, insbesondere bei Herrn Dr.-Ing. Christian Stasch aus dem Team zum hochfesten Kleben, geleitet von Herrn Dipl.-Ing. Reiner Jost. Unsere Diskussionen haben maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Für die Zusammenarbeit bei der Erarbeitung eines für Polyurethan-Klebstoffmaterialien angemessenen Festigkeitskriteriums möchte ich Herrn Dr.-Ing. Vladimir Kolupaev vom Fraunhofer- Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt danken. Weiterhin bin ich für die gute Zusammenarbeit bei experimentellen Untersuchungen mit dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen, den Freudenberg Forschungsdiensten SE & Co. KG in Weinheim und der Fakultät
5 IV VORWORT Fahrzeugtechnik der Hochschule Esslingen, insbesondere mit Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Häfele, dankbar. Zu guter Letzt bedanke ich mich herzlichst bei meiner Familie: bei meinen Eltern und bei meiner Frau Katrin, die mich während der Erstellung der Arbeit entlastet und unterstützt haben. Stuttgart, Dezember 2014 Sebastian P. Sikora
6 Kurzfassung In der Automobilindustrie hat sich die Applikation hochfester, zähmodifizierter Epoxidklebstoffe (EP) im metallischen Rohbau etabliert. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotentiale ist das Multi-Material-Design im Fokus der Karosserieentwicklung. Multi-Material-Strukturen motivieren die Entwicklung von innovativen Fügeverfahren, vor allem der fortschrittlichen Klebtechnik. Beim Fügen artfremder Werkstoffe, z.b. von Stahl und Carbon-Faser verstärkten Kunststoffen (CFK), bieten Polyurethanklebstoffe (PU) viele Vorteile gegenüber EPs ein gravierender ist die größere Nachgiebigkeit beim Fügen von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Allerdings stehen derzeit noch keine Simulationsmethoden zur lokalen Abbildung des mechanischen Verhaltens dieses vergleichsweise flexiblen Klebstofftyps zur Verfügung, der ein ausgeprägt nicht-linear, elastisches Materialverhalten aufweist. Da Materialprüfungen zeigen, dass PUs charakteristische Eigenschaften von Gummi-Materialien besitzen, können sie mittels hyperelastischer Materialgesetze modelliert werden. Die Basis der hyperelastischen Materialcharakterisierung sind Versuche, die das Verhalten des Klebstoff-Bulkes beschreiben. Für die typischen Belastungen einer Klebverbindung unter Schubund Normalbeanspruchung wird deutlich, dass es über die für Gummi-Materialien üblichen Charakterisierungsversuche (uniaxialer Zug und hydrostatischer Druck) hinaus notwendig ist, den hydrostatischen Zug mit zu berücksichtigen. Unter äquitriaxialer Belastung weist die Volumenänderung des Materials eine ausgeprägte Zug-/Druckasymmetrie auf, die in der Simulation abgebildet werden muss. Die entwickelte Modellierung ermöglicht die Simulation der Strukturantwort von PU-Klebverbindungen für die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung. Abstract Material Characterization and Modelling for the Simulation of Adhesive Joints with Polyurethane Adhesives In automotive engineering, it is state of the art to use high-strength, toughness-modified epoxy adhesives (EP) in the assembly of the metallic body-in-white (BiW). To open up further potentials in lightweight engineering, multi-material design is in the focus of the BiW development. Multi-material structures motivate the development of innovative joining techniques, especially advanced adhesive joining. Joining dissimilar materials, e.g. steel and carbon fibre-reinforced plastics (FRP), polyurethane adhesives (PU) offer many advantages over EPs a major one being the greater flexibility when joining materials with different coefficients of thermal expansion. However, today no methods are available to simulate the local mechanical behaviour of this softer type of adhesive, which exhibits a highly non-linear elastic behaviour. As experiments indicate that PUs show characteristic features of rubber materials, they can be modelled by hyperelastic material laws. The basis of the hyperelastic material characterization are experiments describing the behaviour of the adhesive bulk. For the typical joint load cases of shear and normal loading, it becomes evident that beyond the established characterization tests (uniaxial tension and hydrostatic compression) for rubber materials it is crucial to take hydrostatic tension into consideration. Exposed to equitriaxial loads, the change in volume of the material shows an asymmetric behaviour in tension and compression that needs to be modelled. The developed model enables the simulation of the structural response of PU-joints for stiffness and strength design.
7 VI KURZFASSUNG & VORVERÖFFENTLICHUNGEN Teilergebnisse dieser Arbeit sind in folgenden Veröffentlichungen erschienen: Sikora, S.P.; Dölle, N.; Kögl, M.: Application and Simulation of Polyurethane Adhesives in Multi-Material Structures. Conference Joining in Car Body Engineering 2013 Bad Nauheim, In: Proceedings, Module 1, S Automotive Circle International & Vincentz Network GmbH, April, Sikora, S.P.; Kögl, M.; Meschut, G.; Kolling, S.: Use of Hyperelastic Material Models to Simulate the Structural Response of Polyurethane Adhesive Joints. Conference NAFEMS World Congress 2013 Salzburg. NAFEMS Ltd, Juni, 2013.
8 Inhaltsverzeichnis Vorwort Kurzfassung & Vorveröffentlichungen Inhaltsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Nomenklatur Abkürzungen III V VII XI XIII XVII XXIII 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik Klebtechnik in der Automobilproduktion Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbindungseigenschaften Simulation von Klebverbindungen Nichtlinear-elastische Materialmodellierung Kontinuumsmechanische Definitionen Spannungszustände und Triaxialität Hyperelastische Materialmodelle Analytische Verzerrungsenergiedichte-Funktionen Inkrementelle Implementierung Marlow-Modell Klassische Festigkeitshypothesen Zielstellung Ziele Vorgehensweise zur Erreichung der Ziele Versuchswerkstoffe Einordnung des untersuchten PU-Klebstoffes
9 VIII INHALTSVERZEICHNIS Chemischer Aufbau Spannungs-Dehnungs-Verhalten Mullins-Effekt Kompressibilität Temperatur- und Geschwindigkeitsabhängigkeit Einfluss der Interphase auf die Verbindungseigenschaften Charakterisierung des verwendeten Stahl-Fügeteilwerkstoffes Weiterentwicklung von Methoden zur Materialmodellierung Zuordnung von Triaxialitätsbereichen zu idealen Spannungszuständen Kombinierte Festigkeitshypothesen Identifikation eines geeigneten hyperelastischen Materialmodelles Materialmodelle für den untersuchten PU-Klebstoff Flachschulterzugprobe (FSZ) Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung, Simulationsergebnisse im Vergleich zum Experiment, Überprüfung der Forderungen an den Versuch Planarzugprobe (PZ) Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung, Simulationsergebnisse im Vergleich zum Experiment, Überprüfung der Forderungen an den Versuch Hydrostatische Druckprobe (HSD) Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Charakteristik der Volumenkompression Numerisch: Modellbildung, Simulationsergebnisse im Vergleich zum Experiment, Überprüfung der Forderungen an den Versuch Stumpfgeklebte Vollzylinderzugprobe (SVZ) Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Charakteristik der Volumenexpansion Einfluss der Klebschichtdicke Numerisch: Modellbildung, Simulationsergebnisse im Vergleich zum Experiment, Überprüfung der Forderungen an den Versuch Dicke Scherzugprobe (DSZ) Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung, Simulationsergebnisse im Vergleich zum Experiment, Überprüfung der Forderungen an den Versuch Uniaxiale Druckprobe (UAD) Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung, Simulationsergebnisse im Vergleich zum Experiment, Überprüfung der Forderungen an den Versuch
10 INHALTSVERZEICHNIS IX 6.8 Zwischenfazit und Diskussion des Einflusses der Materialkompressibilität Validierung des Marlow-Modells an einfachen Proben und Prinzipbauteilen Scherzugproben Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung, Validierung am Experiment und Untersuchung der Spannungszustände Kopfzugproben Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung, Validierung am Experiment und Untersuchung der Spannungszustände Doppelhutprofile unter Schälzugbelastung Experimentell: Proben, Versuchseinrichtung und -ergebnisse Numerisch: Modellbildung und Validierung am Experiment Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse aus Verifikation und Validierung Zusammenfassung 101 Literaturverzeichnis 103 Lebenslauf 111
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