Beschreibung
P 653 – Methodenentwicklung zur Berechnung und Auslegung geklebter Stahlbauteile im Fahrzeugbau bei schwingender Beanspruchung
Das strukturelle Kleben von Stahlblechen, das mittlerweile zum Stand der Technik zu zählen ist, nimmt durch die Einführung neuer hochfester Stahlsorten im Fahrzeugbau den angestrebten Leichtbau und durch die Forderung nach einer optimalen Werkstoffausnutzung weiterhin an Bedeutung zu. Darüber hinaus lässt sich mit der Klebtechnik die Mischbauweise ideal realisieren und durch ihre hohe Automatisierbarkeit und weitere Vorteile eine Senkung der Herstellungs- und Betriebskosten erzielen. Die Klebtechnik ist deshalb eine Zukunftstechnologie. Ein breiter Einsatz des Klebens für hoch beanspruchte Bauteile und Strukturen gelingt in den Industriezweigen, die entweder eine schnelle Entwicklung ihrer Serienprodukte oder eine Einzelfertigung mit hoher Lebensdauer anstreben nur, wenn die Berechnung und numerische Simulation als das wesentliche Entwicklungswerkzeug der modernen industriellen Produktion möglich sind und zuverlässige Ergebnisse liefern. Eine der Hauptbeanspruchungsarten, die im Fahrzeugbau zu Schäden und Versagen führt, ist die schwingende Beanspruchung von einzelnen Komponenten, die Bauteilermüdung. Zur schwingbruchsicheren Auslegung geklebter Verbindungen wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens folgende drei Lösungswege beschritten: Ausgehend vom Strukturspannungskonzept für kompakte metallische Werkstoffe und Schweißverbindungen konnte aus Ergebnissen der Wöhler-Versuche an geklebten Proben die Schwingfestigkeit eines geklebten Bauteils innerhalb der Streubreite der Ergebnisse mit gutem Erfolg bestimmt werden. Wegen der großen Streuung der Ergebnisse bei schwingender Beanspruchung von Klebverbindungen und der damit verbundenen langen Versuchs- und Maschinenbelegungszeiten wurde zur Abkürzung das aus der Polymermechanik stammende Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip an Klebverbindungen untersucht und die in Kurzzeitversuchen ermittelten Shift-Faktoren ebenfalls mit gutem Erfolg auf die Schwingfestigkeit der Verbindungen übertragen. Schließlich wurden im umfangreichsten Teil des Projekts mit Klebschicht-Verformungsmessungen (sog. Hysteresemessung) bei jeweils konstanten Spannungsamplituden das mechanische Verhalten schwingend beanspruchter Proben experimentell untersucht, mit mathematischen Modellen ausgewertet und für die Implementierung in FEM-Programme formuliert. Ein wesentliches Ergebnis aus diesen Untersuchungen war die relativ hohe Kriechneigung bei dem untersuchten zähmodifizierten Epoxidharzklebstoff, die bei Erreichen des tertiären Kriechstadiums zum schnellen Versagen der Verbindung führt.
Das Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 141 ZN) wurde am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen, Laboratorium für Werkstoff und Fügetechnik (LWF), Universität Paderborn, Institut für Werkstofftechnik (IfW), Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Universität Kassel, mit finanzieller Förderung durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF), Köln, aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin, durchgeführt.
Autoren:
O.D. Hennemann, M. Brede, C. Nagel, O. Hahn, J. Jendmy, D. Teutenberg, M. Schlimmer, K.M. Mihm
Veröffentlichung:
2012