Modellierung der Schädigungsentwicklung und Lebensdauerprognose für Stahlklebverbindungen unter hochzyklischer Ermüdungsbelastung

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.