Experimentelle Charakterisierung und Simulation von Dünnschichtverklebungen

Abstract

Trotz des vermehrten Einsatzes von modernen Klebstoffen gibt es für strukturelle Dünnschichtverklebungen, wie sie zum Beispiel für Deckblechverklebungen bei Schienenfahrzeug-Türflügeln angewandt werden, noch keine geregelte Berechnungsvorschrift. Oft wird jedoch eine Auslegungsrechnung für Dünnschichtverklebungen benötigt, um die Festigkeit der Verklebungen zu gewährleisten. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Simulation von Verklebungen mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM) untersucht, wobei Kohäsivzonenelemente für die Modellierung der Klebschicht verwendet werden. Für die Charakterisierung der für das Kohäsivgesetz benötigten Kohäsivparameter werden für einen Epoxidharz-basierten Klebstoff die vier unabhängigen Versuche Thick-Adherend-Tensile-Test, Thick-Adherend-Shear-Test, Tapered-Double-Cantilever-Beam-Test (TDCB-Test) und End-Notched-Flexure-Test (ENF-Test) durchgeführt. Diese dienen zur Bestimmung der Festigkeiten sowie der Bruchenergien für jeweils Mode I- und Mode II-Beanspruchung. Weiters erfolgt eine genauere Untersuchung der bei den Tests entstandenen Bruchflächen der Klebschicht. Um das Alterungsverhalten zu charakterisieren, werden für jeden Versuch zusätzlich künstlich gealterte Proben untersucht. Da nicht jeder Versuch für Verklebungen von Metall-Fügeteilen genormt ist, wird mit Hilfe der FEM eine Vorauslegung der Probenkörper des TDCB- und des ENF-Tests auf Basis von Klebstoffparametern vergleichbarer Klebstoffen aus der Literatur durchgeführt. Die experimentell ermittelten Parameter für den untersuchten Klebstoff zeigen im Vergleich mit den Parametern von vergleichbaren Klebstoffen aus der Literatur, dass der Klebstoff im ungealterten Zustand mittlere Festigkeiten sowie hohe Bruchenergien unter Mode I- und Mode II-Beanspruchung aufweist. Für den Klebstoff im gealterten Zustand kann ein deutlicher Abfall der erzielten Festigkeiten, sowie eine Steigerung der Zähigkeit für Mode I-Beanspruchung des Klebstoffes nachgewiesen werden. Es zeigt sich, dass bei den nicht gealterten Proben primär kohäsives Versagen in der Klebschicht auftritt, wohingegen gealterte Proben eine Mischung aus kohäsivem sowie adhäsivem Versagen aufweisen. Durch die Bruchfläche lassen sich auch Rückschlüsse auf den Rissöffnungsmodus und die Geschwindigkeit der Rissausbreitung ziehen. Mit den ermittelten Parametern wird eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment für die TDCB- und ENF-Tests erzielt. Für eine umfassendere Bewertung der ermittelten Parameter sind jedoch weitere Vergleiche zwischen Simulation und Experiment für unabhängige Versuche notwendig.

Despite the fast progress in the application of modern adhesives used, e.g., for face sheet adhesions in door panels, there still exists no standardized scheme for the strength prediction of thin layered adhesively bonded joints. Often, however, a design calculation for adhesive bonds is required in order to prove their strength. The aim of this study is to model adhesively bonded joints using cohesive zone modelling, in the context of the finite element method. For characterizing the material parameters of an epoxy-based adhesive required for the cohesive zone model, four independent experiments are performed, namely Thick Adherend Tensile Test, Thick Adherend Shear Test, Tapered Double Cantilever Beam-Test (TDCB-Test) and End-Notched Flexure-Test (ENF-Test). The aim of these tests is the determination of the strengths and critical strain energy release rates of the adhesive for mode I and mode II crack opening, respectively. Furthermore, the fracture surfaces are examined in detail. Additionally, artificially aged specimens are tested to characterize the aging behavior. Since not all tests are standardized for metal-metal adhesive bonds, pre-studies are performed for the TDCB- and ENF-Tests, respectively. These pre-studies are based on cohesive parameters of comparable epoxy-based adhesives found in the literature. The obtained parameters for the investigated adhesive are compared to those of similar adhesives found in the literature. The adhesive in its non-aged state shows intermediate strength and high fracture toughness under mode I and mode II crack opening. The aged adhesive shows a significant decrease in maximum strength and an increase in fracture toughness under mode I loading. The fracture surfaces indicate that the adhesive in its non-aged state results in cohesive failure while the aged adhesive results in a mix of cohesive and adhesive failure. The fracture surfaces are also used to draw conclusions about the crack opening mode and the crack propagation speed. With the parameters obtained, a good agreement between simulation and the experiment is obtained for the TDCB- and ENF-test. However, for a more comprehensive evaluation of the determined adhesive parameters, further comparisons between simulation and experiment are necessary for independent tests.