Lebensdauerprognose struktureller Klebverbindungen unter multiaxialer und nicht-proportionaler Beanspruchung mit variablen Amplituden

Vor dem Hintergrund des Klimawandels kommt dem Fahrzeugleichtbau eine hohe Bedeutung zu, da hierdurch Emissionen im Betrieb reduziert und natürliche Ressourcen durch geringeren Materialeinsatz geschont werden. Optimierungspotential besteht in einer beanspruchungsgerechteren Auslegung der dortigen Klebverbindungen. Die für die Auslegung benötigten Methoden zur Lebensdauerprognose unter zyklischer Belastung sind noch nicht in der Lage einige Einflussfaktoren auf die Lebensdauer zuverlässig abzubilden. Dies führt zu einer sicherheitsbedingten Überdimensionierung und damit einhergehend zu übergroßen Überlappungslängen. Um die Anzahl an berücksichtigbaren Einflussfaktoren innerhalb einer Lebensdauerprognose zu erhöhen, beschäftigt sich diese Dissertation mit der Entwicklung einer Methode, die in der Lage ist, die Einflüsse einer variierenden Mittelspannung, variabler Amplituden und einer multiaxialen, nicht-proportionalen Beanspruchung auf die zyklische Lebensdauer von strukturellen Klebverbindungen simultan abzubilden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zu Lebensdauerprognose vorgestellt, die auf einem multiaxialen Zählverfahren, einer Mittelspannungstransformation und einer Schädigungszuweisung über eine invariante Versagenshypothese basiert. Die Parametrierung und Validierung erfolgen an stumpf geklebten Doppelrohrproben. Es zeigt sich, dass bei geringem Aufwand zur Bestimmung der Eingangsparameter eine hohe Prognosegenauigkeit der Lebensdauer für alle untersuchten Lastfälle erreicht wird. Die Praxisrelevanz dieser Probenform ist jedoch eingeschränkt, da im Karosseriebau überwiegend Bleche miteinander verklebt werden. Daher erfolgt eine Erweiterung der entwickelten Methode auf Blechbauteile, wobei die Herausforderung darin besteht, dass diverse Blechproben unterschiedliche Neigungen der Wöhlerlinien aufweisen. Diese Herausforderung wird durch einen identifizierten Zusammenhang zwischen dem bezogenen Spannungsgradienten und der Neigung der Wöhlerlinie gelöst, der es erlaubt, die entwickelte Methode um eine probenspezifische Bemessungswöhlerlinie zu erweitern. Diese Erweiterung wird an einer Napfprobe validiert, die ein geklebtes, tiefgezogenes Blechbauteil repräsentiert. Für alle untersuchten Lastfälle wird der Ort des ersten Anrisses der Klebschicht innerhalb der Fertigungstoleranz und die Lebensdauer mit einer maximalen Abweichung um den Faktor fünf zutreffend prognostiziert. In der vorliegenden Dissertation wird folglich eine Methode zur Lebensdauerprognose von klebtechnisch gefügten Bauteilen unter zyklischer Beanspruchung vorgestellt, die an einachsig belasteten Proben parametriert werden kann und relevante Einflussfaktoren auf die zyklische Lebensdauer berücksichtigt, wodurch Leichtbaupotentiale im Kontext von Fahrzeugkarosserien besser erschlossen werden können.

In the context of tackling the issue of climate change, lightweight vehicle design is of great importance, as it reduces emissions during operation and conserves natural resources by using less material. There is optimization potential in a more stress-appropriate design of the adhesively bonded joints. The methods required for the design of fatigue life prediction under cyclic loading are not yet able to reliably map some of the factors influencing fatigue life. This leads to safety-related over dimensioning and thus to excessive overlap lengths. In order to increase the number of influencing factors that can be taken into account within a fatigue life prognosis, this dissertation deals with the development of a method that is able to simultaneously map the influences of a varying mean stress, variable amplitudes and a multiaxial, non-proportional stress on the fatigue life of structural adhesively bonded joints. In the present work, a method for fatigue life prognosis is presented which is based on a multiaxial counting method, a mean stress transformation and a damage assignment via an invariant failure hypothesis. The parameterization and validation are carried out on butt-bonded hollow cylinder specimens. It is shown that with little effort to determine the input parameters, a high prediction accuracy of the fatigue life is achieved for all investigated load cases. However, the practical relevance of this specimen form is limited, as sheet metal is predominantly bonded together in car body design. Therefore, the developed method is extended to sheet metal components, whereby the challenge is that various sheet metal specimens have different slopes of the S-N curves. This challenge is solved by an identified correlation between the stress gradient and the slope of the S-N curve, which allows the developed method to be extended by a specimen-specific design S-N curve. This extension is validated on a bowl specimen representing a bonded, deep-drawn sheet metal component. For all load cases investigated, the location of the crack initiation of the bonded layer is predicted within the manufacturing tolerance and the fatigue life is predicted correctly with a maximum deviation of a factor by five. This dissertation therefore presents a method for predicting the fatigue life of adhesively bonded components under cyclic loading, which can be parameterized on uniaxially loaded specimens and takes into account relevant factors influencing the cyclic fatigue life, making it more suitable for exploiting lightweight design potential in the context of vehicle bodies.