Zur Festigkeitsbewertung von FKV-Metall-Klebverbindungen mit intralaminarer Rissinitiierung unter Einfluss von Temperatur und zyklischen Lasten

Vor dem Hintergrund der Entwicklung energieeffizienter Mobilitätstechnologien mit minimalem Ressourcenverbrauch rückt der Leichtbau zunehmend in den Fokus. Strukturelle Klebverbindungen zwischen Komponenten aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) und Metall kommen dabei zunehmend in Anwendungen unter hohen Betriebs- und Temperaturlasten zum Einsatz. Derartige FKV-Metall-Klebverbindungen weisen eine Vielzahl potenzieller Versagensmoden auf, die in der Auslegung berücksichtigt werden müssen. Ein Versagensmodus stellt die intralaminare Rissinitiierung in die äußerste Schicht des FKV-Fügeteils am Überlappungsende der Klebverbindung dar. ... mehrIn dieser Arbeit wird eine anwendungsorientierte Methode zur Festigkeitsbewertung dieses Versagensmodus unter dem Einfluss von Temperatur und zyklischen Lasten auf Grundlage des PUCK-Kriteriums aufgezeigt. Die Untersuchungen erfolgen an einer repräsentativen CFK-Aluminium-Scherzugprobe unter Verwendung eines 1K-Epoxidklebstoffs. Hierfür wird eine umfangreiche experimentelle Charakterisierung sowohl der Einzelkomponenten als auch der Klebverbindung durchgeführt. Diese umfasst quasi-statische Versuche bei den Temperaturstufen −40 °C, 23 °C, 110 °C und 150 °C sowie zyklische Versuche bei 23 °C unter einem zugschwellenden Lastverhältnis. Mithilfe einer Finite-Elemente-Simulation der Scherzugprobe werden die Schichtanstrengungen im FKV analysiert. Über eine Konvergenzanalyse wird ein Ansatz zur örtlichen Spannungsbewertung im Bereich der numerischen Singularität am Überlappungsende aufgezeigt. Die Festigkeitsbewertung über die Formulierung eines temperatur- und schwingspielzahlabhängigen PUCK-Kriteriums zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Einen entscheidenden Einfluss haben dabei die Berücksichtigung von thermischen Eigenspannungen in der Klebverbindung sowie das nicht-lineare Modellverhalten.

Lightweight design contributes significantly to the development of energy-efficient mobility technologies with minimal resource consumption. In this context, structural adhesive joints between fiber-reinforced polymers (FRP) and metals are increasingly used in applications exposed to high fatigue and temperature loads. However, FRP-metal adhesive joints exhibit several potential failure modes that must be addressed in the design process. One relevant failure mode is the intralaminar crack initiation in the outer ply of the FRP adherend at the overlap end of the adhesive joint. ... mehrThis work presents an application-oriented method for assessing the strength of this failure mode under the influence of temperature and cyclic loading based on the PUCK failure criterion. The investigation is conducted using a repre-sentative CFRP-aluminum single-lap shear specimen bonded with a one-component epoxy adhesive. An extensive experimental characterization of both the individual materials and the adhesive joint is performed, including quasi-static tests at −40 °C, 23 °C, 110 °C, and 150 °C as well as cyclic tests at 23 °C under a tensile load ratio. Finite element simulations of the lap shear specimen are used to evaluate the ply stresses in the FRP under mechanical and thermal loading. A convergence study is carried out to establish a local stress evaluation approach in the region of the numerical singularity at the overlap end. The proposed strength assessment based on a temperature- and cycle-dependent formulation of the PUCK failure criterion shows good agreement with the experimental results. The treatment of thermally induced residual stresses in the adhesive joint and the consideration of nonlinear model behavior are found to have a significant influence on the accuracy of the prediction.