Konstitutive Modellierung und Finite-Elemente-Berechnung des Versagensverhaltens geklebter Stahl-FVK-Verbindungen

Donhauser, Michael

dc.date.accessioned	2022-07-18T10:31:23Z
dc.date.available	2022-07-18T10:31:23Z
dc.date.issued	2022
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202205206211
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/14002
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021. Doktorarbeit.
dc.language.iso	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	Stahl-FVK-Klebverbindungen	ger
dc.subject	Versagensmodellierung	ger
dc.subject	Versagensberechnung	ger
dc.subject	Anisotrope Schädigung	ger
dc.subject	Composite	ger
dc.subject	Klebschicht	ger
dc.subject	Post-kritisches Verhalten	ger
dc.subject	FE-Berechnung	ger
dc.subject	Mulit-Material-Design	ger
dc.subject	LS-DYNA	ger
dc.subject	crash	ger
dc.subject.ddc	531
dc.title	Konstitutive Modellierung und Finite-Elemente-Berechnung des Versagensverhaltens geklebter Stahl-FVK-Verbindungen	ger
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Durch Umweltauflagen sowie dem weltweiten Ziel den CO2-Ausstoß zu reduzieren, wird der Leichtbau zunehmend in unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt. Faserverbundkunststoffe (FVK) stellen aufgrund ihres geringen Gewichts und den guten mechanischen Eigenschaften einen herausragenden Werkstoff für den Leichtbau dar. Insbesondere die Kombination von FVK und Stahl (Metalle) in der sogenannten Mischbauweise bringt durch vielseitige und innovative Designmöglichkeiten ein enormes Leichtbaupotenzial mit sich. Zum Fügen beider Werkstoffe hat sich das Kleben als Fügetechnologie etabliert. Die Festigkeit einer geklebten Stahl-FVK-Verbindung hängt neben den mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs auch maßgeblich vom Lagenaufbau des FVK ab. Für eine sicherheitsrelevante Auslegung dieser Mischverbindung mittels der Finite-Elemente-Methode ist es notwendig, dass kohäsive Klebschichtversagen und intra- und interlaminare Versagen sowie postkritische Verhalten im FVK anhand geeigneter Modellgleichungen zu berücksichtigen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Berechnungsmethode, mit der das Versagensverhalten geklebter Stahl-FVK-Verbindungen unter quasistatischer und schlagartiger Belastung im Rahmen einer FE-Simulation ermittelt werden kann. Im Fokus steht dabei die Entwicklung und Implementierung von Modellgleichungen zur Beschreibung des intralaminaren Versagens und postkritischen Verhaltens im FVK. Zur Umsetzung der Zielformulierung wird zu Beginn in der Arbeit ein methodischer Ansatz zu Grunde gelegt, der auf der phänomenologischen Materialmodellierung der einzelnen Werkstoffe basiert. Bei der anschließenden Versagensmodellierung vom FVK wird das Zwischenfaserbruchkriterium von Puck zur Beschreibung des intralaminaren Versagens herangezogen, wobei zur Bestimmung des Zwischenfaserbruchwinkels eine Methode mittels Newton-Verfahren entwickelt wird. Zur Beschreibung des postkritischen Verhaltens wird unter Zuhilfenahme des Puck-Modells ein Degradationsmodell mit drei Schädigungsvariablen auf Basis der anisotropen Schädigungsmechanik entwickelt und als benutzerdefiniertes Materialmodell in LS-DYNA implementiert. Abschließend erfolgt die Modellbildung für das interlaminare Versagen im FVK mit dem Kohäsivzonenmodell von Camanho und Dávila. Im nächsten Schritt werden die Modellparameter für das Material- und Versagensverhalten vom FVK anhand von Versuchsdaten identifiziert, verifiziert und zum Teil validiert. Das Klebschichtverhalten wird nach dem aktuellen Stand der Technik mit dem TAPOModell beschrieben und die Modellparameter anhand von Versuchsdaten identifiziert. Im letzten Abschnitt der Arbeit erfolgt die Versagensberechnung geklebter Stahl-FVKVerbindung für unterschiedliche Proben, Prüfgeschwindigkeiten und Schichtaufbauten des FVK, wobei die Grundlage der Berechnungsmethode das Klebschichtmodell und das entwickelte FVK-Modell bilden. Dabei wird das mechanische Verhalten (Kraft-Weg-Verläufe) und die Versagensform aus der FE-Berechnung den Versuchsdaten gegenübergestellt und damit die Berechnungsmethode validiert und deren Güte aufgezeigt.	ger
dcterms.abstract	Lightweight design is increasingly used in manufacturing industries due to environmental requirements and the global aim of reducing CO2 emissions. Carbon fibre-reinforced plastics (cfrp) have superior mechanical properties such as high strength and low density. Hence, they are often used as a material for lightweight design. Especially, the combination of cfrp and steel in a multi-material design offers new design opportunities. In order to join both materials, adhesive bonding is used as a key technology. The strength of the adhesively bonded cfrp-steel joints depends primarily on layup configuration of the cfrp and also on mechanical behaviour of the adhesive. For the safety design of an adhesive-cfrp-steel joint by the finite element method (fem), it is necessary to capture the possible failure of the adhesive as well as inter- and intralaminar failure and post-critical behaviour of the cfrp by means of suitable material models. Objective of the present thesis is the development of a computation method in order to be able to predict the failure behaviour of adhesive-cfrp-steel joints under quasistatic and impact loading by the fem. The major focus is on the development and implementation of material equations for the cfrp to capture the intralaminar failure and post-critical behaviour. In the beginning a methodical approach, based on the phenomenological material modelling, is presented for the aim of this thesis. Afterwards, intralaminar failure is modelled with the inter-fibre failure criterion of Puck, whereby the inter-fibre fracture angle is determined by a new developed approach with Newton’s method. A degradation model with three damage variables (anisotropic damage) is formulated by means of Puck’s failure criterion in order to describe the post-critical behaviour of the composite laminate. Both models are implemented into LS-DYNA as a user defined material model. Then, the interface model of Camanho and Dávila is considered to describe the interlaminar failure (delamination) of the cfrp. Next, the model parameters for the material and failure behaviour of the cfrp are identified, verified and validated with test data. The material behaviour of the adhesive layer is modelled by the current state of the art with the TAPO-model and the model parameters are identified by test data. In the last section of this thesis, the failure computation of adhesively bonded cfrp-steel joints is carried out for different test specimens, strain rates and layup configurations of the cfrp laminate. The basis of the computation method is given by the adhesive model and the model developed for the cfrp. The predicted mechanical and failure behaviour of adhesive-cfrp-steel joints are compared to test data in order to validate the computational method.	eng
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Donhauser, Michael
dcterms.dateAccepted	2021-11-10
dcterms.extent	xii, 183 Seiten
dc.contributor.referee	Matzenmiller, Anton (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Becker, Wilfried (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-1051-3
dc.subject.swd	Finite-Elemente-Methode	ger
dc.subject.swd	Modellierung	ger
dc.subject.swd	Mechanisches Versagen	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Berichte des Instituts für Mechanik	ger
dcterms.source.volume	2/2022
kup.iskup	true
kup.order	https://www.genialokal.de/Produkt/Michael-Donhauser/Konstitutive-Modellierung-und-Finite-Elemente-Berechnung-des-Versagensverhaltens-geklebter-Stahl-FVK-Verbindungen_lid_47281770.html
kup.price	39,00
kup.series	Berichte des Instituts für Mechanik	ger
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin	ger
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 15 / Maschinenbau
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5
ubks.epflicht	true