Modellierung und Simulation von Klebeverbindungen mit gradierten mechanischen Eigenschaften

Abstract

Obwohl das Prinzip des Verklebens von Bauteilen schon seit der Antike bekannt ist, rücken adhäsive Klebeverbindungen in jüngster Zeit immer weiter in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses. Getrieben durch moderne Anforderungen wird es immer wichtiger das mechanische Langzeitverhalten von polymeren Klebeverbindungen zu verstehen und mit ausreichender Sicherheit vorhersagen zu können. In diesem Kontext müssen Einflussfaktoren, welche auf die Probe einwirken und ihr mechanisches Verhalten verändern können, berücksichtigt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Materialmodell zu entwickeln, welches sowohl äußeren Einflüssen, wie der Temperatur oder einer inhomogenen Feuchtigkeitsverteilung, als auch der Abhängigkeit von der Schichtdicke Rechnung trägt. Zu diesem Zweck müssen geeignete Konstitutivgleichungen aufgestellt und die Energie-, Impuls-, Massen und Entropiebilanz ausgewertet werden. Die Impulsbilanz ist der Ausgangspunkt der Simulation des mechanischen Verhaltens mit Hilfe der Finite Elemente Methode. Simulationen werden mit Hilfe des kostenlosen open-source Pakets deal.II durchgeführt. Zu diesem Zweck müssen sowohl zeitabhängige Prozesse, wie die Diffusion, oder ratenabhängiges, mechanisches Verhalten, aber auch die Nichtlinearität des Materialverhaltens berücksichtigt und in geeigneter Weise umgesetzt werden. Ergebnisse aus Simulationen und realen Experimenten werden verglichen um diese Zusammenhänge zu ermitteln.

Although the principle of bonding of components has been known since ancient times, adhesive bonded joints are progressively becoming the focus of scientific attention. Due to by modern requirements, such as in the automotive industry, it has become even more important to understand the mechanical long-term behavior of polymeric adhesive bonds. For safety reasons, it is necessary to predict the mechanical performance of the polymer. For this purpose, external influencing factors, which can change the mechanical properties of the adhesive layer, have to be taken into account. The aim of the present work is to develop a material model that considers the temperature, inhomogeneous moisture-distribution, and the influence of the thickness of the layer. Therefore, appropriate constitutive equations have to be formulated and the balance laws of energy, momentum, mass, and entropy have to be evaluated. The balance of momentum is the starting point of the simulation of the mechanical behavior in the context of the finite element method. Simulations are performed using the free open-source package deal.II. For this purpose, both time-dependent processes, such as diffusion and the rate-dependent mechanical behavior, as well as the non-linearity of the model have to be taken into account and implemented as appropiate. The results from simulations and real experiments are compared in order to determine the relationships mentioned above.