Modellierung der Schädigungsentwicklung und Lebensdauerprognose für Stahlklebverbindungen unter hochzyklischer Ermüdungsbelastung

Kroll, Ulrich

dc.date.accessioned	2020-11-04T17:19:51Z
dc.date.available	2020-11-04T17:19:51Z
dc.date.issued	2020
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202007271494
dc.identifier.isbn	978-3-7376-0850-3 (e-book)
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/11922
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2019	ger
dc.language.iso	ger	ger
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	Schädigung	ger
dc.subject	Strukturklebstoff	ger
dc.subject	Stahlklebverbindung	ger
dc.subject	Betriebsfestigkeit	ger
dc.subject	Kontinuumsschädigungsmechanik	ger
dc.subject.ddc	600
dc.title	Modellierung der Schädigungsentwicklung und Lebensdauerprognose für Stahlklebverbindungen unter hochzyklischer Ermüdungsbelastung	ger
dc.type	Buch
dcterms.abstract	In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur Lebensdauerprognose für Stahlklebverbindungen unter mechanischer Schwingungsbelastung präsentiert, erweitert und validiert. Das Konzept basiert auf der strukturmechanischen Idealisierung der Klebverbindung, der konstitutiven Modellierung zur Beschreibung des Ermüdungsversagens, der Identifikation der Modellparameter anhand von Testdaten aus Grundversuchen und der numerischen Umsetzung für die Lebensdauerprognose. Zuerst wird auf die Ermüdungsfestigkeit von Stahlklebverbindungen eingegangen, die oft als dünne Strukturklebverbindungen ausgeführt werden, worauf in dieser Arbeit der Fokus gelegt wird. Anschließend werden Daten aus Grundversuchen präsentiert, bei denen die Probekörper statischer und zyklischer Langzeitbelastung bis zum Bruch ausgesetzt worden sind. Anhand dieser Testdaten werden die zuvor erläuterten Ermüdungscharakteristika für die Stahlklebverbindung mit dem betrachteten Strukturklebstoff deutlich. Aufgrund ihrer geringen Dicke wird die Strukturklebschicht der numerischen Effizienz wegen als Grenzfläche idealisiert. Deren numerische Umsetzung im Rahmen der FEM in Form eines Kohäsivzonenelements wird kurz erläutert. Im nächsten Schritt wird für den materiellen Punkt der Klebverbindung ein thermomechanisch konsistentes Konstitutivmodell formuliert. Das Modell besteht aus zwei Teilmodellen. Das erste Teilmodell beschreibt das konstitutive Verhalten der linearen Viskoelastizität ohne Berücksichtigung von Schädigung. Das zweite Teilmodell ist eine Schädigungsdifferentialgleichung, die auf der Theorie der Kontinuumsschädigungsmechanik basiert und mit der die Schädigungsentwicklung vom ungeschädigten Zustand bis zum vollständigen Versagen infolge Langzeitbelastung beschrieben wird. Bei vollständigem Versagen ist keine Tragfähigkeit mehr vorhanden und die Lebensdauer erreicht. Die Schädigungsdifferentialgleichung erfasst die meisten zuvor dargestellten Ermüdungscharakteristika. Das Schädigungsmodell wird gezielt erweitert, um die Einflüsse der zeitlichen Reihenfolge der Amplituden und der einund mehrachsigen Wechselbeanspruchung auf die Lebensdauer abzubilden. Die Parameter des Konstitutivmodells werden anhand der zuvor beschriebenen Testdaten aus den Grundversuchen identifiziert. Im Anschluss wird beschrieben, wie das Konstitutivmodell im Rahmen der transienten FE-Simulation eingesetzt wird. Dabei wird deutlich, dass bei einer vollständig transienten Berechnung die Berechnungszeiten so lang sind, dass die Lebensdauerprognose im Rahmen der industriellen Praxis nicht möglich ist. Deshalb werden Methoden zur Rechenzeitreduktion ausgearbeitet und durch zusätzliche Algorithmen innerhalb der transienten FE-Simulation umgesetzt. Zuletzt wird das Modell anhand verschiedener Testdaten aus Ermüdungsversuchen von einfachen Proben sowie technologischen und bauteilähnlichen Prüfkörpern validiert. Bei den Versuchen liegen ein- und mehrachsige Belastungen mit konstanten und variablen Amplituden sowie unterschiedlichen Mittelspannungen vor. Die Berücksichtigung des Reihenfolgeeinflusses wird anhand einer Betriebsbelastung validiert. Die Lebensdauerprognosen weisen eine hohe Güte auf, was die gesamte konzeptionelle Vorgehensweise bestätigt.	ger
dcterms.abstract	In the present thesis, a concept for lifetime prediction for adhesive steel joints subjected to mechanical cyclic loading is presented, enhanced and validated. The concept is based on the structural mechanical idealisation of the adhesive joint, the constitutive modelling for the specification of the fatigue failure, the identification of the model parameters by means of data from basic tests and the numerical implementation for the lifetime prediction. First, the fatigue strength of adhesive steel joints is explained, which are widely used in form of thin structural adhesive joints, being in the focus of this work. Afterwards, data from basic tests are presented, where the specimens were subjected to static and cyclic long-term loading until fracture. The previously mentioned fatigue characteristics of the adhesive steel joint with the structural adhesive at hand become apparent from this test data. By reason of its small thickness, the structural adhesive layer is idealised as an interface for numerical efficiency. The numerical implementation in the framework of the FEM in form of a cohesive zone element is briefly explained. In the next step, a thermomechanically consistent constitutive model is formulated for the material point in the adhesive joint. The model consists of two parts. The first part represents the linear viscoelastic constitutive behaviour without consideration of damage. The second part is a damage differential equation, which is based on the theory of continuum damage mechanics and which represents the damage evolution from the undamaged state until total failure due to long-term loading. At total failure, no load-bearing capacity remains and, thus, the lifetime is attained. The damage differential equation captures most of the previously mentioned fatigue characteristics. The damage model is specifically enhanced in order to capture the influences of the chronological order of amplitudes and the uni- and multiaxial alternating loading on the lifetime. The parameters of the constitutive model are identified by means of the previously described data from basic tests. Then, the application of the constitutive model in a transient FE-simulation is described. It becomes clear, that the computation times in a fully transient analysis are so long that the lifetime prediction is not possible in industrial applications. Therefore, methods for the reduction of the computation time are developed and applied through additional algorithms in the transient FE-simulation. Finally, the model is validated by means of various data from fatigue tests of simple as well as technological and component-like specimens. The loadings of the tests are uni- and multiaxial and have constant and variable amplitudes as well as different mean stresses. The consideration of the loading sequence effect is validated by means of a service loading. The lifetime predictions have a high goodness, which validates the whole conceptual approach.	eng
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Kroll, Ulrich
dcterms.dateAccepted	2019-11-26
dcterms.extent	xviii, 207 Seiten
dcterms.isPartOf	Berichte des Instituts für Mechanik ;; 1/2020	ger
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau	ger
dc.contributor.referee	Matzenmiller, Anton (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Juhre, Daniel (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Brückner-Foit, Angelika (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-0851-0 (print)
dc.subject.swd	Schädigung	ger
dc.subject.swd	Strukturklebstoff	ger
dc.subject.swd	Klebeverbindung	ger
dc.subject.swd	Betriebsfestigkeit	ger
dc.subject.swd	Schadensmechanik	ger
dc.subject.swd	Lebensdauer	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Berichte des Instituts für Mechanik	ger
dcterms.source.volume	1/2020	ger
kup.iskup	true
kup.price	39,00
kup.series	Berichte des Instituts für Mechanik
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 15 / Maschinenbau