Bruchmechanik

Erhöhung der Zuverlässigkeit von Bauteilen durch den Einsatz bruchmechanischer Verfahren

Häufig werden Klebungen zur Verbindung von Komponenten eines Bauteils eingesetzt. Eine Klebung ist zwar einfach auszuführen, stellt aber für die Bewertung der Festigkeit ein komplexes Strukturelement dar:

  • Am Rand der Klebung ändert sich die Steifigkeit des Bauteils sprunghaft. Damit ergeben sich erhebliche Erhöhungen der wirkenden Spannungen, die ein Versagen der Klebung auslösen können.
  • Bei dicken Klebungen kann es zu Inhomogenitäten in der Klebschicht kommen, wie z.B. Lunkern. Am Rand dieser Fehlstellen kommt es ebenfalls zu einer örtlichen Erhöhung der wirkenden Spannungen und damit ggf. zu einem kohäsiven Versagen innerhalb der Klebschicht.
  • Ergibt sich eine Fehlstelle in der Kontaktfläche mit dem Bauteil, kann es dort zu adhäsivem Versagen kommen.

Die beschriebenen Versagensmechanismen werden durch lokale Effekte ausgelöst. Daher eignet sich die Bruchmechanik besonders zur Beschreibung der Festigkeit einer Klebung. Die Leichtwerk AG verfolgt bei der Analyse von Klebungen folgenden Ansatz:

  1. Klebungen werden grundsätzlich als vorgeschädigt angesehen; d.h. das Vorhandensein einer Fehlstelle wird unterstellt.
  2. Anwendung eines in-house Verfahrens zur experimentellen Ermittlung bruchmechanischer Versagenskennwerte
  3. Anwendung eines in-house Verfahrens zur Berechnung bruchmechanischer Beanspruchungen in komplexen Baugruppen

Numerische Analyse


Häufig können die lokalen Effekte bruchmechanischer Beanspruchungen nur für sehr kleine oder einfache Strukturen ausgewertet werden. Die Leichtwerk AG verfügt über zwei numerische in-house Verfahren, welche bruchmechanische Analysen an großen Gesamtstrukturen, wie z.B. Rotorblättern von Offshore-Windenergieanlagen mit einer Blattlänge von über 60m erlauben.

Durch den Einsatz dieser Verfahren konnte die strukturelle Zuverlässigkeit und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen deutlich gesteigert werden.

Verfahren I:

Zur Analyse von Delaminationen zwischen den Schichten von Faserverbundstrukturen eignet sich ein Verfahren welches im Postprocessing einer Standard-FE-Analyse eingesetzt wird. Zur Auswertung gelangen dabei die sich im Bereich der Delamination verzweigenden Kraftflüsse.

Verfahren II:

Für das FE-System ANSYS wurde ein spezielles Klebschichtelement entwickelt, das sowohl verzweigte Strukturen als auch dicke Klebschichten berücksichtigt. Darüber hinaus erlaubt es eine einfache Variation der geometrischen Rissfront für eine Rissfortschrittsrechnung.

Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Versagenskennwerte


Bruchmechanische Kennwerte werden mittels optimierter Standardproben ermittelt:

  • Schälfestigkeit durch Double Cantilever Beam (DCB)-Proben
  • Schubfestigkeit durch End Notched Flexure Specimen (ENF)-Proben


Die Probengeometrie kann im Hinblick auf das Originalbauteil in Bezug auf das Substratmaterial, dessen Herstellungsprozess, Kleber und Klebschichtdicke sowie Abmessungen variiert werden.

Zur Durchführung der Probenversuche wurde eigens eine spezialisierte Prüfmaschine mit entsprechendem Steuerprogramm entwickelt.