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VOrherSAGe Effiziente virtuelle Ermittlung von Kohäsivzonen-Parametern zur Simulation von Klebefügungen am Fraunhofer IWM Um das Leichtbaupotential faserverstärkter Kunststoffe (FVK) optimal auszunutzen, müssen die benötigten Fügeverbindungen angepasst gestaltet werden. Klebefügungen weisen gerade im einsatz mit FVK gegenüber mechanischen Verbindungsmitteln verschiedene Vorteile auf. Insbesondere werden durch die Klebung weder Fasern noch Oberflächen verletzt. Validierte Simulationsmethoden sind zur sicheren Auslegung z.B. für FVK-Fahrzeuge unerlässlich, um eine genaue Vorhersage des Trag- und Versagensverhaltens zu erhalten. Gleichzeitig sollen die eingesetzten Simulationsmethoden im Hinblick auf Rechenzeit möglichst effizient sein. Für Klebefügungen bietet sich hier die Kohäsivzonenformulierung als Ersatzmodell an, bei der das Spannungs-Separationsverhalten der Klebschicht zwischen den Fügepartnern direkt vorgegeben wird. Zur zuverlässigen und systematischen Charakterisierung des Verhaltens von Klebefügungen ist eine abgestimmte experimentelle Versuchsmatrix nötig. So werden am Fraunhofer IWM für verschiedene Anwendungen z.B. die Bruchzähigkeit unterschiedlicher Klebeschichten im Modus I und II im geklebten »Double Cantilever Beam« (DCB-), »End Notch Flexure« (ENF-) und im Mixed-Mode Versuch bestimmt (Abb. 1). Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen von Struktur und Materialeigenschaften ist eine getrennte Bewertung der Einflüsse struktureller Parameter wie der Klebschichtdicke und der Substratgeometrie einerseits und der Material-

parameter von Klebstoff und Substrat andererseits nicht möglich. Die jeweilige Kombination der genannten Parameter wirkt sich sowohl auf die Versagenslast als auch auf die auftretenden Versagensmechanismen aus. Daher müssen ausgewählte Paarungen struktureller und materieller Effekte in einer experimentellen Charakterisierung der Klebefügung berücksichtigt werden. 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 basiert auf der Simulation des fortschreitenden Versagens der Laminatfügung in einem detaillierten, hochaufgelösten Modell. Zur Beschreibung des Schädigungsverhaltens der Klebschicht wird ein kontinuumsmechanisches Materialmodell verwendet.

Die dazu benötigten Steifigkeits- und Schädigungsparameter werden aus Zug- und ScherVersuchen an Klebstoff-Substanzproben abgeleitet. Durch einen Homogenisierungsansatz (Abb. 2) wird das Trag- und Versagensverhalten des detaillierten Modells der Klebefügung auf ein effizientes Kohäsivzonenmodell abgebildet (Abb. 1). Hierdurch wird eine effiziente Gestaltung und Optimierung von Klebefügungen unter Berücksichtigung sämtlicher mikromechanischer Effekte ohne zusätzlichen experimentellen Aufwand möglich. Weitere Informationen: Dr.-Ing. Monika Gall, Verbundwerkstoffe, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg, Telefon +49 (0) 7 61 /51 42-218 monika.gall@iwm.fraunhofer.de www.iwm.fraunhofer.de

Abb. 1: Bruchmechanisches Mode I Experiment (links) und Simulation (rechts) von geklebter CFK Probe. (aus Teilprojekt „RTM CAE/CAx“ des „Technologieclusters Composites Baden-Württemberg TC²“).

Abb. 2: Homogenisierungsansatz zur Ermittlung der Kohäsivzonen-Parameter.

56 Carbon Composites Magazin Mitglieder 1/2014

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Ccev magazin 14 1  

Mitgliedermagazin des Carbon Composites e.V. www.carbon-composites.eu

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