Numerical investigation of ageing in the mechanical behaviour of crosslinked polyurethane adhesives under the influence of moisture

Abstract

Applications of adhesives are exponentially increasing in the production of lightweight bonded structures. The mechanical behaviour of these materials is very complex because of the ageing process under environmental conditions. IGF-project 19730 N addresses the ageing of crosslinked polyurethane adhesives under the influence of moisture concentration at an isothermal condition of 60◦ C. An extensive experimental investigation was planned with a primary focus on ageing and softening due to moisture absorption. The data generated from the experimental investigation is used for the numerical investigation. The motivation of this work is to develop material models to analyse the material behaviour using finite element method. The finite-strain viscoelastic behaviour is modelled based on phenomenological theories. The viscoelastic material model is coupled with the diffusion model to investigate the ageing of the mechanical behaviour. The Langmuir-type diffusion model is used in this work to investigate the anomalous moisture diffusion. Further, a phase-field fracture material model is implemented to investigate the crack propagation in the samples aged under different humid conditions. Finally, the damage model is coupled with the diffusion model to numerically analyse the moisture influence on fracture toughness of the material.

Die Anwendungen von Klebstoffen zur Fertigung leichter Verbundstrukturen nehmen exponentiell zu. Aufgrund des Alterungsprozesses unter Umweltbedingungen ist das mechanische Verhalten dieser Materialien sehr komplex. IGF-Projekt 19730 N untersucht die Alterung von vernetzten Polyurethanklebstoffen unter dem Einfluss der Feuchtigkeit bei isothermen Bedingungen von 60◦ C. Es wurde eine extensive experimentelle Untersuchung geplant, bei der das Alterungsverhalten und die Weichmachung aufgrund von Feuchteaufnahme im Hauptgrund stehen. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung werden für die numerische Untersuchung verwendet. Der Grund für diese Arbeit ist die Entwicklung von Materialmodellen zur Berechnung des Materialverhaltens mit Hilfe der Finite-Elemente- Methode. Das viskoelastische Verhalten wird auf der Grundlage phänomenologischer Theorien modelliert. Das viskoelastische Materialmodell wird mit dem Diffusionsmodell gekoppelt, um die Alterung des mechanischen Verhaltens zu untersuchen. Das Langmuir-Modell für die Diffusion wird in dieser Arbeit verwendet, um die anomale Feuchtigkeitsdiffusion zu untersuchen. Außerdem wird ein Phasenfeld-Bruchmaterialmodell implementiert, um die Rissausbreitung in den unter verschiedenen feuchten Bedingungen gealterten Proben zu untersuchen. Das Schadensmodell wird mit dem Diffusionsmodell gekoppelt, um den Einfluss der Feuchtigkeit auf die Bruchfestigkeit numerisch zu berechnen.