Konstitutive Modellierung warmaushärtender Klebverbindungen aus duktilmodifiziertem Epoxidharz

Kühlmeyer, Patrick

dc.date.accessioned	2022-12-05T10:48:25Z
dc.date.available	2022-12-05T10:48:25Z
dc.date.issued	2022
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202211177136
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/14276
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2022	ger
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	Strukturklebstoff	ger
dc.subject	Aushärtung	ger
dc.subject	Klebverbindung	ger
dc.subject	Vorschädigung	ger
dc.subject	Thermo-chemo-rheologie	ger
dc.subject.ddc	620
dc.title	Konstitutive Modellierung warmaushärtender Klebverbindungen aus duktilmodifiziertem Epoxidharz	ger
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der konstitutiven Modellierung von Klebverbindungen aus warmaushärtenden Strukturklebstoffen, die aus Epoxidharz bestehen und deren Matrix mithilfe von Additiven duktil modifiziert wird. Strukturklebstoffe kommen in verschiedenen Industriezweigen wie beispielweise im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Fahrzeugbau zum Einsatz. Im zuletzt benannten werden sie häufig im Karosserierohbau verwendet, wo im Zuge des Leichtbaus zielgerichtet auf verschiedene Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zurückgegriffen wird. Dort hat sich die Klebtechnik als stoffschlüssige Technik neben verschiedener formschlüssiger Fügeverfahren bewährt und etabliert, da Klebstoffe unter anderem in der Lage sind, thermisch induzierte Relativverschiebungen zwischen den einzelnen Komponenten der Karosserie auszugleichen und Verformungsenergie bei Crashbeanspruchung zu dissipieren. Die Klebstoffklasse, die für solche Zwecke eingesetzt wird, gehört zur Gruppe der einkomponentigen Reaktionsklebstoffe, welche bei hohen Temperaturen aushärten (warmaushärten). Daher können bereits während der Fertigung der Klebschicht Relativverschiebungen entstehen, die ausreichen, um die Klebschicht irreversibel zu deformieren oder zu schädigen – unter Umständen sogar bis zum Versagen. Für eine sichere Auslegung ist daher ein Materialmodell für die Klebverbindung notwendig, welches die Beanspruchung der Klebschicht während der Fertigung und im Betrieb bis zum Versagen mittels der Finite-Elemente-Berechnung prognostizieren kann. Die Vernetzungskinetik eines repräsentativen Strukturklebstoffs wird in Abhängigkeit der Temperatur mit einem phänomenologischen Ansatz für den Aushärtegrad nach Kamal und Sourour mathematisch beschrieben, dessen Parameter an Versuchsdaten aus kalorimetrischen Messungen identifiziert worden sind. Der Aushärtegrad dient neben der Temperatur als Variable im unilateral thermomechanisch gekoppelten Modell und in der viskoelastisch-plastischen Materialtheorie mit duktiler Schädigung, die im Rahmen der Arbeit sukzessiv hergeleitet und erläutert wird. Da die Klebnähte der verwendeten Klebstoffklasse wenige zehntel Millimeter dünn und sehr lang sind, wird das Materialmodell für eine numerisch effiziente Berechnung im Sinne der Grenzflächentheorie angepasst. Im viskoelastischen Teilmodell wird für die Berücksichtigung der Temperatur und des Aushärtegrads von der thermo- und chemorheologischen Einfachheit des Klebstoffs ausgegangen und dafür die materielle Zeit im Konvolutionsintegral definiert. Zur Beschreibung der plastischen Deformation wird das Toughened Adhesive Polymer Modell (TAPO) verwendet, das neben der deviatorischen auch die hydrostatische Beanspruchung in der Fließbedingung berücksichtigt. Die Fließbedingung und Fließspannung sind Funktionen der Temperatur und des Aushärtegrads. Die Ansätzen für die duktile Schädigung nach Johnson und Cook werden mit Temperatur- und Aushärtegradfunktionen erweitert. Die Materialgleichungen werden numerisch gelöst und als benutzerdefiniertes Anwendermodell in die kommerzielle Finite-Elemente-Software LS-DYNA implementiert. Im nächsten Schritt werden die Materialparameter systematisch an Messdaten aus Grundversuchen identifiziert und das Modell anschließend verifiziert. Zuletzt wird das Materialmodell an bauteilähnlichen Proben unter thermomechanischer Beanspruchung während der thermisch aktivierten Aushärtung validiert, diskutiert und bewertet.	ger
dcterms.abstract	The present thesis deals with the constitutive modeling of bonded joints made of thermosetting structural adhesives consisting of a ductile-modified epoxy resin matrix with the aid of additives. Nowadays, structural adhesives are used in various branches of the industry, such as mechanical engineering, aerospace technology and vehicle construction. In the last one, they are frequently used in body-in-white construction, where various materials with different physical properties are used in a targeted manner in the course of lightweight construction. There, adhesive bonding technology has proven and established itself as a material-joining process alongside with various form-fit joining processes, since adhesives are capable, among other advantages, of compensating for thermally induced relative displacements between the components of the body and are dissipating deformation energy during crash loading. The class of adhesives, used for such purposes, belongs to the class of one-component reactive adhesives that cure at high temperatures (thermosetting). Therefore, relative displacements can already occur during the manufacturing of the adhesive layer. They are sufficient to irreversibly deform or damage the adhesive layers, possibly even up to the point of failure. For a safe design, therefore, a material model for the bonded joint is necessary that can predict the stresses on the adhesive layer during manufacturing and in operation until failure by means of finite element calculations. The crosslinking kinetics of a representative structural adhesive are described mathematically as a function of temperature by using a phenomenological approach in terms of the degree of cure according to the model of Kamal and Sourour. Its parameters have been identified by means of test data, found from calorimetric measurements. In addition to temperature, the degree of cure serves as a variable in the unilaterally thermomechanically coupled viscoelastic-plastic material model with ductile damage, which is successively derived and explained within the scope of the thesis. Since the adhesive layer’s thickness is only a few tenths of a millimeter but usually considerably long, the material model is reduced to a numerically efficient constitutive interface theory. In the viscoelastic submodel, the thermo- and chemorheological simplicity of the adhesive is assumed for the consideration of the temperature and the degree of cure, and is introduced into the convolution integral with the help of the material time. The toughened adhesive polymer model (TAPO) is used to describe the plastic deformation, which takes into account not only the deviatoric but also the hydrostatic stress in the yield condition. Both, the yield condition and the yield stress are functions of the temperature and the degree of cure. Appropriate functions of the temperature- and the degree of cure are introduced into the approache by Johnson and Cook used for the ductile damage description. The material equations are treated numerically and implemented as a user-defined material model into the commercial finite element software LS-DYNA. Subsequently, the material parameters of the model are systematically identified from measurement data from basic tests. The model is then successfully verified. Finally, the validation of the material model on component-like specimens under thermomechanical loading during thermally activated curing is demonstrated, discussed and evaluated.	eng
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Kühlmeyer, Patrick
dcterms.dateAccepted	2022-08-31
dcterms.extent	XV, 227 Seiten
dcterms.isPartOf	Berichte des Instituts für Mechanik; 3/2022	ger
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau
dc.contributor.referee	Matzenmiller, Anton (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Lion, Alexander (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	isbn:978-3-7376-1089-6
dc.subject.swd	Klebeverbindung	ger
dc.subject.swd	Modellierung	ger
dc.subject.swd	Epoxidharz	ger
dc.subject.swd	Finite-Elemente-Methode	ger
dc.subject.swd	LS-DYNA	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Berichte des Instituts für Mechanik	ger
dcterms.source.volume	Band 3/2022
kup.iskup	true
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	ger
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5
ubks.epflicht	true