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

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.