Sika Technology AG - bei der IG VPE Swiss

Finite Elemente Berechnungen verklebter 

Strukturen 

Dr. Pierre Jousset, Sika Technology AG 

24.04.2013 

1 Sika Technology AG

Agenda 

• Motivation und Ziele 

• Die strukturellen Epoxy Klebstoffe SikaPower 

• Finite Element Modellierung, Parameter Identifikation, Validierung 

• Die strukturellen „elastischen“ PU Klebstoffe Sikaflex 

• Finite Element Modellierung, Parameter Identifikation 

• Zusammenfassung und Ausblick 


Sika AG 

Sika: global tätiges Unternehmen der 

Spezialitätenchemie 

15200 Mitarbeiter, 4.83 billion CHF Umsatz 

Kern Kompetenzen: 

Dichten, Kleben, Dämpfen, Verstärken und Schützen 


Motivation und Ziele 

Strukturelle Verklebung: Schlüsseltechnik für den Leichtbau 

‣ Reduzierung des gesamten Gewicht 

‣ Verbindung unschweissbaren Materialien 

Herausforderung und Ziel: Vorhersage des mechanischen Verhaltens 

verklebter Strukturen unter Crash Belastung anhand FE Simulation 

Quelle: Audi 


SikaPower Structural und SikaPower Crash 

Einkomponentige heißhärtende Klebstoffe. Epoxidharz-basiert, 

schlagzäh-modifiziert. Dünne Klebschichten: 0.3 mm 

SikaPower Structural: struktureller Klebstoff für Punktschweissen/Kleben 

SikaPower Crash: optimiert für Crash Belastungen 

Audi Q7 

Strukturelle und Crash Klebstoffe 

Strukturelle Applikation. 

Dach-Rahmen Verklebung 

Quelle: Audi 


Finite Element Modellierung 

σ 0 

u w 

K I 

τ 0 

K II 

G Ic 

G IIc 

Mode I (Zug) 

Mode II (Scher) 

Kohäsive Zone Model von Abaqus: „Traction-Separation“ 

- „Einfaches“ bi-linear konstitutive Gesetz 

- Model in kommerzieller Software zur Verfügung (hier Abaqus) 

- Dehnratenunabhängiges Gesetz, aber … Dehnratenabhängigkeit 

berücksichtigt durch die Identifikation von Parametersätzen unter 

quasistatischen und dynamischen Belastungen und im quasistatischen 

konstitutiven Model eingesetzt 


Parameter Identifikation in Mode I, quasistatisch 

• DCB Prüfkörper. 

Auswertung von σ I und G Ic quasistatisch: (0.01 mm/s). 

Klebschicht 

150 

100 

Force (N) 

50 

Experiments 

FE Simulation 

Bildquelle: Uskövde (U.Stigh, A. Biel), 

europäisches Futura Projekt. 

0 

0 1 2 3 4 5 

Displacement (mm) 

SikaPower Structural 


Parameter Identifikation in Mode I, dynamisch 

• DCB Prüfkörper 

Auswertung von σ I und G Ic 

Dynamisch: (0.1m/s) 

Substraten 

Klebschicht 

300 

250 

Force (N) 

200 

150 

100 

50 

0 

Experiments 

Initial FE Simulation 

Sima I +50% 

GIc + 50% 

Mode II parameters +50% 

0 0.005 0.01 

Displacement (m) 

Bildquelle: Uskövde (U.Stigh, A. Biel) 

SikaPower Crash: 

Sensitivitätsanalyse 


Parameter Identifikation in Mode II, quasistatisch 

• ENF Prüfkörper. 

Auswertung von σ II und G IIc quasistatisch: (0.03 mm/s) 

10000 

7500 

Force (N) 

5000 

2500 

0 

Experiments 

Good parameters 

Mode I parameters +50% 

GIIc +50% 

Sigma II +50% 

0 5 10 15 


Bildquelle: Uskövde (U.Stigh, A. Biel) 

SikaPower Structural: Sensitivitätsanalyse 


Validierung 

• Stahl Material: Dehnratenabhängiges elasto-plastisches Model 

6 

Force (kN) 

4 

2 

0 

Experiment, rate 0.00075 

Simulation, rate 0.00075 

Experiment, rate 0.75 

Simulation, rate 0.75 

0 2 4 


• Klebstoff: Dehnratenabhängigkeit durch dynamische Parameter im 

quasistatischen Modelle berücksichtigt 


Validierung 

• T-Stösse Fallstudien 

– Drei Geschwindigkeiten: 0.5 mm/s, 0.5 m/s, 3.5m/s 

– Zwei Klebstoffe: SikaPower Structural und SikaPower Crash 

– Zwei Lastfälle: in Längs- und Querrichtung 

Bildquelle: EMI (M.May, H. Voss) 


Validierung: T-Stoss Längsbelastung 0.5 mm/s und 0.5 m/s 

1 mm Netz, nur in 

geklebten Bereiche 

Quasistatisch (0.5 mm/s). 

Initiale Parameter, feineres Netz 

Force [kN] 

5 

4 

3 

2 

1 

Experiments SP Structural 

Simulation SP Structural finer mesh 

Experiments SP Crash 

Simulation SP Crash finer mesh 

Dynamisch (0.5 m/s) : 


Force [kN] 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

Experiments Structural 

Simulation SP Structural finer mesh 


Simulation SP Crash finer mesh 

0 

0 10 20 30 40 

Displacement [mm] 

0 

0 20 40 



Validierung: T-Stoss Quer- und Längsbelastung 3.5 m/s 

Dynamisch (3.5 m/s) : 

Initiale Parameter und Netz 

Dynamisch (3.5 m/s): 


Force [kN] 

2.5 

2 

1.5 

1 

0.5 

0 


Simulation Structural 


Simulation SP Crash 

0 5 10 15 


Force (kN) 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 


Simulation Structural 


Simulation SP Crash 

0 10 20 30 40 50 



Zusammenfassung und Aussicht 

• Dehnratenabhängigkeit durch dynamische Parameter im 

quasistatischen Modelle berücksichtigt 

• Sehr gute Übereinstimmung von Experiment und Simulation der 

T-Stösse unter quasi-statischen und dynamischen Belastungen 

• Längsbelastung: dynamische Belastungen erfordern feiner Netze 

• Längsbelastung: Ergebnisse sind G IIc -empfindlich 

• Aussicht 

• Auswertung der Mode II Parameter unter dynamischen 

Belastungen durch weitere Messungen 

• Numerische Auswertung mit einem voll dehnratenabhängigem 

Modell 


Sikaflex Klebstoffe 

Einkomponentige PU Klebstoff. Epoxidharz-basiert, aushärtet mit 

Luftfeuchtigkeit, Klebschichten: mehrere mm 

Beispiel: Sikaflex 265 Tensile strength ~ 6 Mpa, Max Dehnung > 400% 

Bus-, LKW- und Schienenfahrzeug-Scheibenklebstoff 


Parameteridentifikation vor dem Versagen 

Nicht linear hyperelastisches Verhalten 

Tensile test 

Compression test 

Planar test 

Volumetric compression test 

E 

= 

n 

∑ 

i= 

1 

T 

(1 − 

T 

th 

i 

test 

i 

2 

) 


FE Simulation vor und bis zum Versagen 

Tear (Weiterisswiederstand) Prüfung 


Zusammenfassung und Aussicht 

• Hyperelastisches Verhalten und grosse Dehnungen berücksichtigt. 

• Versagen berücksichtigt durch Kohäsiv Elementen. 

• FE Simulation des Weiterisswiederstand (Tear) Prüfung möglich. 

• Aussicht 

• Validierung des Versagensprognose anhand industriellen 

Benchmarks 

• Weitere Untersuchung numerischer Probleme, bei höher 

Dehnungen 


Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 

Fragen ? 

jousset.pierre@ch.sika.com

Sika Technology AG - bei der IG VPE Swiss

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