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Analyse interlaminarer Rissentstehung in einschnittigen Überlappungsklebungen zwischen Laminatfügeteilen

Talmon l'Armée, Andreas :
Analyse interlaminarer Rissentstehung in einschnittigen Überlappungsklebungen zwischen Laminatfügeteilen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analyse interlaminarer Rissentstehung in einschnittigen Überlappungsklebungen zwischen Laminatfügeteilen
Language: German
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 AbstractLanguage
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
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
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
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86921
Referees: Becker, Prof. Dr. Wilfried and Zhang, Prof. Dr. Chuanzeng
Refereed: 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8692
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