Item Type: |
Ph.D. Thesis |
Type of entry: |
Primary publication |
Title: |
Analyse interlaminarer Rissentstehung in einschnittigen Überlappungsklebungen zwischen Laminatfügeteilen |
Language: |
German |
Referees: |
Becker, Prof. Dr. Wilfried ; Zhang, Prof. Dr. Chuanzeng |
Date: |
2019 |
Place of Publication: |
Darmstadt |
Date of oral examination: |
2019 |
Abstract: |
Überlappungsklebungen sind aufgrund ihrer vielfältigen Vorteile in der Anwendung eine
Verbindungstechnik, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Entsprechend finden sich Kleb-
verbindungen in zahlreichen Anwendungen, insbesondere auf dem Gebiet des Leichtbaus.
Häufig gibt es wegen dem komplexen mechanischen Verhalten Bedenken bei der Anwen-
dung in lasttragenden Strukturen. Besonders die auftretenden Schälspannungen führen zu
vielfältigen Versagensprozessen. Dies gilt in besonderem Maß für die Anwendung von Klebver-
bindungen mit Fügeteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden. Deshalb wird im Bereich hoher
Schälspannungen oft ein sogenannter "Angstniet" gesetzt, wodurch der Gewichtsvorteil der
Klebverbindungen verloren geht. Um die Akzeptanz der Klebverbindungen in lasttragenden
Strukturen zu erhöhen, ist es unumgänglich das Versagensverhalten derselbigen gründlich zu
untersuchen. Für Fügeteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden muss hierbei insbesondere der
Fall interlaminarer Rissbildung verstanden werden.
Zur mechanischen Analyse von Überlappungsklebungen können analytische Modelle, semi-
analytische Modelle oder rein numerische Modellierungsansätze verwendet werden, um die
Feldgrößen zu ermitteln. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein analytisches Modell und ein rein
numerisches Finite-Elemente-Modell der einschnittigen Überlappungsklebung diskutiert. Der
Fokus liegt in beiden Fällen vornehmlich bei der Bewertung interlaminarer Rissinitiierung. Als
Versagenskriterium wird das gekoppelte Spannungs- und Energiekriterium im Rahmen der fini-
ten Bruchmechanik implementiert. Zur Validierung werden numerische Vergleichsrechnungen
mit Kohäsivzonenmodellierung durchgeführt.
Mit dem analytischen Modell können die benötigten transversalen Spannungsgrößen nicht
direkt bestimmt werden, sondern müssen mit einer Rückrechnung aus den Gleichgewichtsbe-
dingungen ermittelt werden. Durch die Modellierungsannahmen kann mit dem analytischen
Modell nur interlaminare Rissinitiierung vom Rand des Fügeteils bewertet werden und keine
Rissinitiierung im Inneren des Fügeteils. Überdies können mit dem analytischen Modell die
Schnittkräfte und -momente an den Übergängen des Überlappungsbereichs effizient berechnet
werden. Durch die Modellierungsannahmen kann der geometrisch nichtlineare Einfluss in
allen Teilbereichen der Überlappungsklebung berücksichtigt werden.
Für eine detaillierte Analyse der Überlappungsklebung wird ein rein numerisches Modell her-
angezogen. Um die energetischen Größen für das gekoppelte Spannungs- und Energiekriterium
berechnen zu können wird zunächst das Rissöffnungsintegral für den Fall der nichtlinearen
Elastizität erweitert. Mit der numerischen Analyse ist es möglich auch Rissinitiierung im In-
neren der Überlappungsklebung abzubilden. Außerdem kann das Entstehen von Rissmustern
bewertet werden. Es wird gezeigt, dass eine punktweise Auswertung des Spannungskriteri-
ums nicht alle im Experiment vorkommenden Risstypen abbilden kann. In der vorliegenden
Arbeit wird eine sequentielle Auswertung des Spannungskriteriums vorgeschlagen, indem
nachfolgend zur punktweisen Auswertung eine gemittelte Auswertung durchgeführt wird.
Somit können alle Risskonfigurationen mit geringem Rechenzeitaufwand abgebildet und eine
gute Übereinstimmung mit den experimentellen Versagenslasten erzielt werden. |
Alternative Abstract: |
Alternative Abstract | Language |
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Due to various application advantages adhesive joints are increasingly used as joining technique
in many fields of engineering. Hence, adhesive joints can be found in various applications,
especially in constructions of light weight structures. In many cases the use in load bearing
structures is viewed with concerns due to the complex mechanical behaviour. Particularly,
the occurrence of peel stresses leads to various failure modes. This applies most notably
for adhesive joints with adherends comprising fibre reinforced plastics. For this reason in
many cases a so called "anxiety rivet" is placed in regions with high peel stresses due to
which the weight advantage of the adhesive joint is reduced. To increase the acceptance of
adhesive joints in load bearing structures it is inevitable to thoroughly investigate the failure
mechanisms. For adherends made of fibre reinforced plastics especially interlaminar crack
initiation must be understood.
For the mechanical analysis of adhesive joints analytical models, semi-analytical models or
numerical modelling approaches can be used to determine the necessary field quantities. In
the framework of this work an analytical model and a numerical finite-element-model of a
single lap adhesive joint is discussed. The focus lies in both cases on the failure assessment
of interlaminar crack initiation. As failure criterion the coupled stress and energy criterion
in the framework of finite fracture mechanics is implemented. For validation purposes a
numerical reference solution using cohesive zone modelling is conducted.
Using the analytical model, the necessary transverse stress components can not be calculated
directly but can be estimated in a post-processing step using the force equilibrium. Due to
the modelling assumptions, using the analytical model only interlaminar crack initiation from
the outer edges of the adherends can be assessed whereas interlaminar crack initiation inside
the adherends can not be modelled. Furthermore, using the analytical model the section
forces and moments at the overlap ends can be calculated efficiently. Due to the modelling
assumptions the effect of geometric nonlinearity can be covered in all sections of the single
lap adhesive joint.
For a more detailed analysis of the adhesive joint a numerical finite-element-model is used.
To calculate the energy quantities for the coupled stress and energy criterion first of all the
crack opening integral is adapted for the case of nonlinear elasticity. With the numerical
analysis it is also possible to assess crack initiation inside the adherends. In addition the
occurrence of crack patterns can be assessed. It is shown that a pointwise evaluation of the
stress criterion does not allow to model all crack types that occur during experiments. In the
presented work it is proposed to conduct an averaged evaluation subsequent to the pointwise
evaluation. Doing this all crack configurations can be modelled with low computational costs
and good agreement with the experimental failure loads can be achieved. | English |
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URN: |
urn:nbn:de:tuda-tuprints-86921 |
Classification DDC: |
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering |
Divisions: |
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Structural Mechanics (FSM) |
Date Deposited: |
20 May 2019 12:43 |
Last Modified: |
20 May 2019 12:43 |
URI: |
https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8692 |
PPN: |
448866641 |
Export: |
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