Im Rahmen dieser Studienarbeit wurde das Verformungsverhalten einer ausgewählten Klebverbindung unter Mode II- und Mixed-Mode-Belastung untersucht. Für die experimentelle Ermittlung des Verformungsverhaltens wurde eine Versuchsvorrichtung entwickelt. Bei der konstruktiven Gestaltung und Dimensionierung der Vorrichtung wurden die Besonderheiten der gewählten Proben-Belastungs-Kombination berücksichtigt. Umfangreiche theoretische Voruntersuchungen des Verformungsverhaltens der ENF-Probe unter Mode II- und Mixed-Mode-Belastung basierend auf der linearen Elastitizitätstheorie sowie die ausführliche Bewertung der Versuchsergebnisse der vorhandenen Versuchsvorrichtung wurden bei der Entwicklung der Versuchsvorrichtung berücksichtigt.
Die entwickelte Vorrichtung wurde für die statische und dynamische Prüfung dimensioniert. Die Versuchsdurchführung beschrankt sich auf die statischen Mode II - und Mixed-Mode-Versuche. Die experimentell ermittelbaren Parameter sind die Probenbelastung, der Probenweg und die Randfaserdehnung.
Für die theoretische Ermittlung des Verformungsverhaltens der Klebverbindung wurde ein Finites-Element-Modell entwickelt. Das FE-Modell wurde für das FE-Programm ABAQUS mit Hilfe der entwickelten Fortranroutine erstellt. Für den Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen sind die interessierenden Parameter in Abhängigkeit der experimentell ermittelten Probenbelastung die Knotenverschiebungen der modellierten Fugeteilvorderkante und die Randfaserdehnung der Fugeteile.
In der Erwartung, daß die Ergebnisse der FE-Analyse und der Versuche gut übereinstimmen, stimmt der mit dem FE-Modell berechnete Schubspannungsverlauf in der Klebschichtmitte mit dem in der Klebung wirkenden Schubspannungsverlauf überein. Abschließend wird die FE-Lösung mit einer analytischen Lösung, die die Struktur beschreibenden Differentialgleichungen fur den Mode II-Versuch befriedigt, verglichen. Das Verformungsverhalten der Klebverbindung kann mit hinreichend guter Genauigkeit zum einen durch die Versuche und zum anderen durch die vorgestellten theoretischen Methoden ermittelt werden. Mit dem entwickelten FE-Modell und der analytischen Lösung existieren zwei Methoden zur Ermittlung des Schubspannungsverlaufes in der Klebschicht und im besonderen in der Rißspitze.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Klebverbindung
2.1.1 Aufbau
2.1.2 Belastung und Schubspannungsverlauf
2.2 Bruchmechanische Betrachtungsweise
3 Konstruktion
3.1 Aktuelle Situation
3.1.1 Literaturstudium
3.1.2 Voruntersuchung - Verformungsverhalten der ENF-Probe
3.1.3 Analyse und Bewertung der vorhandenen Vorrichtung
3.2 Entwicklung der Versuchsvorrichtung
3.2.1 Anforderungen
3.2.2 Teilaufgaben und Teillösungen
3.2.3 Prinzipielle Lösungen
3.2.4 Bewertung der Lösungen und Auswahl einer Variante
3.3 Konstruktion der Versuchsvorrichtung
3.3.1 Wahl der Gegenprobe
3.3.2 Auslegung der Klemmvorrichtung
3.3.3 Berechnung der Rollendurchmesser
3.3.4 Auswahl der Federsteifigkeit der Schraubenzugfeder
3.3.5 Dimensionierung der Welle
3.3.6 Überschlägige Berechnung der Stifte
3.3.7 Toleranzauswahl
4 Mode II- und Mixed-Mode-Versuche
4.1 Versuchsaufbau
4.2 Versuchsdurchführung
4.3 Versuchsergebnisse und -auswertung
4.3.1 Versuchsbeobachtung
4.3.2 Auswertung und Darstellung der Versuchsergebnisse
4.4 Fehlerbetrachtung
4.4.1 Fehlerquellen
4.4.2 Abweichungsrechnung
4.5 Diskussion der Versuchsergebnisse
4.6 Bewertung der entwickelten Versuchsvorrichtung
5 Erstellung eines dreidimensionalen FE-Modells
5.1 Finite-Element-Methoden
5.1.1 Einführung
5.1.2 FE-Programm 'ABAQUS'
5.2 Fortranprogramm zur Erzeugung des ABAQUS 'Inputfiles'
5.2.1 Modellierung der Versuchsvorrichtung
5.2.2 Modellumsetzung in 'ABAQUS'
5.2.3 Aufbau des Fortranprogrammes
5.2.4 ABAQUS 'Textfile'
5.3 Finite-Element-Analyse
5.3.1 Konvergenzbetrachtung
5.3.2 Vergleich der FE-Lösung mit den experimentellen Ergebnissen
5.3.3 Vergleich der FE-Lösung mit der analytischen Lösung
6 Zusammenfassung
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Die vorliegende Studienarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer geeigneten Versuchsvorrichtung zur Durchführung von Mode II- und Mixed-Mode-Versuchen an End Notched Flexure (ENF) Proben. Das Ziel besteht darin, das Verformungsverhalten geklebter Verbindungen unter diesen spezifischen Belastungsbedingungen experimentell zu ermitteln und durch ein dreidimensionales Finite-Element-Modell sowie analytische Ansätze zu verifizieren.
- Konstruktion und Dimensionierung einer neuen Versuchsvorrichtung für Mode II und Mixed-Mode Belastung.
- Untersuchung des Verformungsverhaltens von geklebten ENF-Proben.
- Erstellung eines Finites-Element-Modells mit ABAQUS unter Verwendung von Fortran-Routinen.
- Vergleich experimenteller Ergebnisse mit numerischen FE-Analysen und bruchmechanischen, analytischen Lösungen.
- Fehlerbetrachtung und Bewertung der entwickelten Versuchsapparatur hinsichtlich ihrer Eignung für statische und schwingende Prüfungen.
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Voruntersuchung - Verformungsverhalten der ENF-Probe
Die geometrischen Abmessungen der ENF-Probe entsprechen denen der DCB-Probe zur Durchführung der Mode I-Versuche. Die Drauf- und Seitenansicht ist in Skizze 6 dargestellt. Das xP, yP, zP Koordinatensystem dient der geometrischen Beschreibung der Probe. Das x, y, z Koordinatensystem berücksichtigt nur die freie Länge der Probe.
Der Übergang vom geklebten in den gerissenen Probenbereich ist durch einen Sprung der Biegesteifigkeit resultierend aus der Änderung des Flächenträgheitsmoment (FTM) Iy um die y-Achse gekennzeichnet. Durch Einleitung einer Querkraft in z-Richtung in die Fügeteile bei fester Einspannung des Probenendes wird die ENF-Probe auf Biegung um die y-Achse beansprucht. Wenn die Querkräfte gleich groß sind, stellt sich eine reine Schubbelastung in der Klebschicht ein. Die Probe wird im Mode II-Modus belastet. Sind die Querkräfte unterschiedlich groß, so dass das obere Fügeteil FGT1 mehr als das untere Fügeteil FGT2 belastete wird, so ist die Biegeverformung der Fügeteile FGT unterschiedlich und sie verschieben sich relativ zueinander. Die Klebung wird durch Schub- und Schälanteile entsprechend dem Kräfteverhältnis aus oberer zu unterer Fügeteilbelastung beansprucht. Die ENF-Probe wird im Mixed-Mode-Modus belastet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Herausforderungen bei der Klebtechnik im Flugzeugbau und leitet zur bruchmechanischen Untersuchung von geklebten Verbindungen über.
2 Grundlagen: Erläutert den Aufbau der untersuchten Klebverbindung sowie die bruchmechanische Betrachtungsweise mittels der Energiefreisetzungsrate.
3 Konstruktion: Detaillierte Darstellung des Literaturstudiums, der Entwicklung, Auslegung und Konstruktion der neuen Versuchsvorrichtung.
4 Mode II- und Mixed-Mode-Versuche: Dokumentation des Versuchsaufbaus, der Durchführung, der experimentellen Ergebnisse sowie einer Fehlerbetrachtung.
5 Erstellung eines dreidimensionalen FE-Modells: Beschreibt die Finite-Element-Methode, die Modellierung, die Fortran-Routinen zur Dateneingabe und die Analyse der FE-Ergebnisse im Vergleich zu Experiment und Theorie.
6 Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Studienarbeit zusammen und bewertet die Eignung der entwickelten Versuchsvorrichtung.
Schlüsselwörter
Klebverbindung, Mode II-Belastung, Mixed-Mode-Belastung, End Notched Flexure, ENF-Probe, Faserverbundwerkstoffe, Finite-Element-Methode, ABAQUS, Energiefreisetzungsrate, Bruchmechanik, Schubspannungsverlauf, Randfaserdehnung, Versuchsvorrichtung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Verformungsverhalten geklebter Verbindungen, speziell unter Mode II- und Mixed-Mode-Belastungen, mithilfe von experimentellen Versuchen und numerischen Simulationen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die konstruktive Entwicklung einer geeigneten Prüfvorrichtung, die bruchmechanische Modellierung von Klebungen und die Anwendung der Finite-Element-Methode (FEM).
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, eine Versuchsvorrichtung zu konstruieren, die eine statische und schwingende Rissfortschrittsanalyse unter definierten Mode II- und Mixed-Mode-Bedingungen ermöglicht und deren Ergebnisse rechnerisch abzubilden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine Kombination aus experimenteller Versuchstechnik (ENF-Proben, Dehnungsmessstreifen) und numerischer FEM-Analyse mit ABAQUS unter Verwendung von Fortran-Routinen für die Materialmodellierung eingesetzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die konstruktive Auslegung der Vorrichtung (einschließlich aller Berechnungsschritte wie Wellen- und Federdimensionierung) und die anschließende FE-Analyse sowie den Vergleich dieser mit experimentellen Versuchsdaten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Klebverbindung, ENF-Probe, Bruchmechanik, Energiefreisetzungsrate, Finite-Element-Methode und Mixed-Mode-Belastung.
Warum ist die ENF-Probe für diese Untersuchungen besonders geeignet?
Die ENF-Probe ermöglicht es, durch die gezielte Einleitung von Querkräften einen definierten Schubspannungszustand in der Klebschicht zu erzeugen, was für Mode II- und Mixed-Mode-Untersuchungen essenziell ist.
Welche Rolle spielt die FE-Analyse in dieser Studie?
Die FE-Analyse dient dazu, den Schubspannungsverlauf und die Dehnungen in der Klebschicht dort zu ermitteln, wo dies experimentell nur schwer oder gar nicht möglich ist, um so die bruchmechanische Auslegung zu verifizieren.
- Quote paper
- Claudia Granpayeh, geb. Todt (Author), 1999, Das Verformungsverhalten von Klebeverbindungen unter Mode II- und Mixed-Mode-Belastung. Praktische Versuche und die Erstellung eines Finite-Element-Modells, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/12688
