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Klebeverbindungen – Praktische Simulation typischer Aufgabenklassen

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Know-How-Transfer aus der Praxis: von der Technologie über die Beschreibung relevanter Materialklassen mit Best Practice Tipps zur Lösungssteuerung bis zur Auswertung von Eigenspannungen und Versagensmechanismen

​Die Klebetechnik verbreitet sich zunehmend in vielen Bereichen der Industrie – vom Maschinen- und Fahrzeugbau bis hin zur Mikroelektronik. Mittlerweile ersetzen Klebeverbindungen auch Schrauben, Niete und Schweißpunkte. Neben den vielen Vorteilen der Klebeverbindungen ist ein wesentlicher Nachteil deren relativ teure Auslegung über das Versuchsfeld, unter anderem bedingt durch eine erschwerte Montage und Demontage der geklebten Baugruppen. Umso wichtiger ist es, durch Berechnung und Simulation Klebeverbindungen auslegen und sicher beurteilen zu können.
Die Finite-Elemente-Methode (FEM) hat sich auch dazu als Werkzeug bewährt. Neben dem geeigneten Modellaufbau spielen auch die Beherrschung der Materialmodellierung, des Lösungsablaufs und der Auswertemethoden eine entscheidende Rolle.

ZIELGRUPPE

​Dieses Seminar richtet sich sowohl an Entscheidungsträger als auch an alle Ingenieure, die mit Klebeverbindungen betraut sind, sei es dass sie in einer frühen Designphase Aussagen zur Haltbarkeit treffen oder aber Schadensfälle analysieren und Verbesserungen entwickeln müssen.

IHR NUTZEN

​Neben Grundlagen zu Klebeverbindungen werden vor allem das notwendige FE-Know How in ANSYS Workbench und MAPDL behandelt und deren Anwendung in Workshops geübt. Darüber hinaus wird die Modellierung des Klebstoffversagens (Debonding), also des Aufreißvorgangs von Klebeverbindungen behandelt.

Agenda

Tag 1

M1: Wissenswertes zu Klebeverbindungen

  • ​Einführung, Motivation: Einsatzgebiete von Klebungen
  • Vor- und Nachteile von Klebeverbindungen
    Prüfmethoden für Klebschichten
  • Übersicht zu Prüfverfahren
  • Klebstoffversagen durch Zugscherung, Schub und Schälung
  • Klebfugengeometrie: Gestaltungsregeln
    Einfluss der geometrischen Gestaltung auf die Klebfestigkeit
  • Beanspruchungsarten
  • Definition der Klebfestigkeit
  • Klebfestigkeit und Klebschichtverformung
  • Einfluss Überlappungslänge und Schichtdicke

M2: Beurteilung der Klebefestigkeit nach dem Nennspannungskonzept

  • ​Berechnung nach Volkersen
  • Tabelle: Linearelastisch isotrope Eigenschaften von Klebstoffen
  • Tabelle: Metallfaktoren einiger gängiger Fügeteilwerkstoffe
  • Berechnungsbeispiele Berechnung mit FEM
  • Geeignetes Netz zur Spannungsermittlung
  • Legen geeigneter Spannungsauswertepfade
  • Spannungsmittelwertbildung
  • Workshop: Einschnittige Klebung
    Für diesen Workshop bedarf es lediglich Grundkenntnisse der linearen Strukturmechanik

M3: Kriechverhalten und Relaxation von Klebeverbindungen

  • ​Kriechen (Creep) in ANSYS Workbench
  • Charakterisierung von FE-Kriechgesetzen
  • Klassifizierung der Kriechbereiche
  • Ansätze für Kriechen
  • Kriechgesetze in ANSYS
  • Definition des Materials („Engineering Data“)
  • Kombinationsmöglichkeiten mit plastischen Materialgesetzen (Creep + Plasticity)
  • Lösungseinstellungen
  • Workshop: Langzeit-Relaxation (time hardening) einer Achsverbindung unter Torsion

M4: Viskoelastisches Verhalten von Klebeverbindungen

  • ​Charakterisierung des Viskoelastischen Materialgesetzes
  • Lineare Viskoelastizität
  • Lineare Viskoelastizität: 3-Parameter-Modell
  • Generalisiertes Maxwell-Element
  • Viskoelastizität (Viscoelastity) in ANSYS Workbench
  • Kontinuumsmechanische Darstellung (ANSYS) - 3D
  • Ermittlung der Materialdaten: Messanordnungen
  • Curve Fitting Prony – Reihen (time domain) ANSYS Workbench
  • Lösungseinstellungen
  • Kombinationsmöglichkeiten mit plastischen Materialgesetzen
  • Workshop: Relaxation einer Achsverbindung unter wechselnder Torsion

Tag 2

M5: Eigenspannungen und Verzug im Aushärteprozess

  • Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
  • ​Chemische Reaktionsschwindung
  • Unterschiedliche Temperaturverteilung
  • Berücksichtigung des Gelpunkts (Glastemperatur)
  • Ausblick: Berücksichtigung der Reaktionskinetik

M6: Workshop: Eigenspannungen und Verzug bei einer Blechverbindung

  • Ursachen: Temperaturgang, Gelpunkt und Reaktionsschwund
  • ​Chemische Reaktionsschwindung
  • Unterschiedliche Temperaturverteilung
  • Berücksichtigung des Gelpunkts (Glastemperatur)
  • Sukzessives Einführen der Effekte und deren Überlagerungen

M7: Simulation von Klebstoffversagen mit Cohesive Zone Ansätzen

  • ​Charakterisierung der Cohesive Zone Materialgesetze
  • Exponentieller Cohesive Zone Ansatz
  • Bilinearer Cohesive Zone Ansatz
  • Exponentiell versus Bilinear: Bsp. Ergebnisvergleich
  • Anwendung mit Interface-Elementen
  • Anwendung mit Contact-Elementen
  • Exponentieller versus Bilinearer CZM
  • Ermittlung der Cohesive Zone Parameter (Beispiele aus CADFEM-Praxis)
  • Lösungseinstellungen
  • Anwendungsmöglichkeiten und Beispiele

M8: Workshop: Zerreißen einer Double Cantilever Probe (DCB)

  • ​Cohesive Zone Definition
  • Kontakteinstellungen
  • Konvergenzkriterien
  • Ergebniskontrollen
  • Ermittlung des Kraft-Weg-Diagramms