Konstitutive Modellierung warmaushärtender Klebverbindungen aus duktilmodifiziertem Epoxidharz

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.