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Werkstoffspezifisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten und Grenzen der Beanspruchbarkeit elastischer Klebungen

  • Elastische Klebverbindungen werden heute in der Praxis immer häufiger lastabtragend eingesetzt. Daher steigt auch die Nachfrage nach zuverlässigen Berechnungsmethoden und Beurteilungskriterien für diese Klebstoffe. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand von geeigneten Prüfmethoden, Werkstoffkennwerte für Werkstoffgesetze, die für FE-Berechnungen geeignet sind, zu bestimmen und diese zu überprüfen. Außerdem soll der Grenzzustand der Beanspruchbarkeit untersucht werden um einerseits bewerten zu können, bis zu welchem Beanspruchungszustand die verwendeten Werkstoffgesetze einsetzbar sind und andererseits um die Grenzbelastungen für diese Klebstoffe beurteilen zu können. In dieser Arbeit wurden zwei elastische Klebstoffe untersucht, einer auf Silikon und einer auf Polyurethanbasis. Die Ermittlung der Werkstoffkennwerte erfolgt an Normproben, die den Vorteil einer weiten Verbreitung und Reproduzierbarkeit bieten. Das Werkstoffverhalten wurde unter Zug-, Schub- und Druckbelastung untersucht. Dabei wurde die Belastungsgeschwindigkeit in allen Belastungsarten so gewählt, dass der Energieeintrag pro Volumen und Zeiteinheit für alle Belastungsarten gleich ist. Dies bietet den Vorteil, dass für alle Belastungsarten der gleiche energetische Zustand des Klebstoffes untersucht wird. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Bestimmung der Werkstoffkonstanten für Green’sche Werkstoffgesetzte. Diese haben sich für die Berechnung von elastomeren Werkstoffen bewährt. Die Kennwerte für diese Werkstoffgesetze wurden durch Methoden der Ausgleichsrechnung (Methode der kleinsten Quadrate) iterativ so bestimmt. Die Überprüfung der Kennwerte erfolgt anhand von Kopfzugproben. Diese geklebten Proben mit mehrachsigen Spannungszuständen zeigen eine Vielzahl von in der Praxis relevanten Spannungszuständen und damit besonders für die Überprüfung der Werkstoffgesetze geeignet. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Anhand dieser Probengeometrie werden auch der Grenzzustand der Beanspruchung und die hierfür maßgeblichen mechanischen Größen untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die Formänderungsenergiedichte als Bewertungsgröße für den Grenzzustand und das Eintreten von Schädigungen im Werkstoff geeignet ist.
  • Elastic adhesive joints are used today in many industrial sectors. In these applications adhesive joints are used more frequently in a load carrying way. Thus there is a strong increase in demand for reliable calculation methods for these materials. The goal of this thesis is to determine and verify the variables for suitable material laws to be used in FE analyses of two different adhesives (one silicone based and one polyurethane based), based on appropriate test methods. Furthermore, the serviceability limit state of these adhesives is examined in order to evaluate critical stress and deformation magnitudes as well as the range in which the material models provide sufficient results. In this work the stress-strain behavior is investigated using standard test specimen which deliver a wide distribution and a high reproducibility. Since the mechanical behavior of elastic adhesives depends on the mode of deformation, the mechanical properties are measured from the three basic strain states: simple tension, simple shear and simple compression. These tests are performed with constant energy input per volume and time to guarantee the same energy conditions for all three strain states. Based on the results of the mechanical tests the material parameters for hyperelastic material laws are derived iteratively by minimizing the difference between calculated and measured result. In the next step these material laws are validated by comparing the calculated results with the results from a glued cylindrical test specimen with high adhesive layer thickness, which shows a variety of different multi-axial strain states. The comparison shows a good agreement of the simulation results. Based on these results the serviceability limit state and the relevant stress and deformation magnitudes are investigated using identical cylindrical test specimens. The investigations show that the strain energy density is suitable as evaluation parameter for the limiting condition and the occurrence of damage in the material.

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Metadaten
Author:Thomas Scherer
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-39284
Advisor:Paul Ludwig Geiß
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2014/11/14
Year of Publication:2014
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2014/06/16
Date of the Publication (Server):2014/11/19
Number of page:IV, V, 157
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 28.10.2014