Horst Stepanski

Spannungsanalyse einer einschnittig überlappten, genuteten Metallklebverbindung

Im Bereich des Flugzeugbaus werden einschnittig uberlappte, genutete Metallklebverbindungen der Form 3, Bild 3, vornehmlich zur Ermittlung der Bindefestigkeit verwendet, um eine gleichbleibende Qualitat der geklebten Bauteile sicherzustellen. Die Herstellung derartiger Proben in einer beheizten Presse mit nachtraglichem Einbringen der Nuten, die den Fugebereich markieren, ist verhaltnismasig unkompliziert. Da der Aushartungsvorgang in der Heizpresse exakt regelbar ist, zeichnet sich die Festigkeit der Proben durch eine gute Reproduzierbarkeit aus. Aus diesem Grunde steht eine solche Verbindungsform auch im Mittelpunkt des vorliegenden Berichtes. Einer systematischen Untersuchung steht zunachst jedoch entgegen, das in der ausgewerteten Literatur Berechnungsverfahren hierfur nicht vorhanden sind.

Der Einfluß elastisch-plastischer Fügeteildehnung auf die Schubbeanspruchung der Klebschicht

Erst in jungerer Zeit ist auch das elastisch-plastische Verhalten des Fugeteilwerkstoffes zum Gegenstand theoretischer Untersuchungen geworden [6, 7]. Wie im folgenden gezeigt wird, ist der starke Einflus der Fugeteilverformung auf die Schubbeanspruchung des Klebstoffes, insbesondere nach dem Uberschreiten der Streckgrenze, bereits durch eine eindimensionale Behandlung des Problems zu erkennen (vgl. [42]).

Werkstoffkennwerte und Beanspruchungsgrenzen von Fügeteil und Klebstoff

Eine Analyse der Spannungen und Verformungen in Fugeteil und Klebschicht, wie sie in den vorausgegangenen Kapiteln vorgenommen wurde, kann allein noch kein umfassendes Bild der eigentlichen Anstrengung des Materials vermitteln. Dazu ist es erforderlich, den wirkenden Beanspruchungen werkstoffspezifische Kennwerte gegenuberzustellen, die als das Mas einer zulassigen Spannung oder Verformung gelten konnen. Erst dann kann beurteilt werden, ob eine vorgegebene ausere Belastung von der Verbindung sicher ertragen werden kann oder nicht.

Die Fügeteil- und Klebschichtverformung

Die in der Literatur ausgewiesenen theoretischen Untersuchungen beschranken sich i.a. auf eine Analyse der Spannungen in Klebstoff und Fugeteil. Nur gelegentlich wird der Versuch unternommen, die Bedeutung der als kritisch erkannten Spannungsgrosen fur die Festigkeitseigenschaften der Verbindung zu diskutieren.

Probenformen und -herstellung

Die Abmessungen der verwendeten Schulter- und Flachproben aus den Klebstoffen Araldit AT 1 und Araldit AW 106 sind in Bild 2 angegeben. Um weitgehend blasen- und eigenspannungsfreie, unorientierte und isotrope Prufkorper zu erhalten, wurde der Klebstoff in Formen eingefullt, deren Unterteil aus einer mit Papier unterlegten Grundplatte bestand, und in einem Umluftofen ausgehartet.

Folgerungen für eine werkstoffgerechte Bemessung der Verbindung

Bei einer Festigkeitsberechnung ist eine optimale Ausnutzung der Materialeigenschaften und gleichzeitig eine hinreichend grose Sicherheit gegen Versagen anzustreben. Dazu mus gewahrleistet sein, das die Beanspruchung eines jeden Bauteilelementes geringer ist als seine Widerstandsfahigkeit [46].

Experimentelle Untersuchung der Spannungen und Verformungen

Aus den theoretischen Arbeiten wird erkennbar, das der am Uberlappungs-ende vorliegenden Fugeteilspannung hinsichtlich der konstruktiven Bemessung des Fugeteils und der Beanspruchung der Klebschicht entscheidende Bedeutung zukommt. Spannungsoptische Untersuchungen dieses Fugeteilbereiches liegen bereits vor [27].

Die Beanspruchung des Klebstoffes auf der Grundlage theoretischer Berechnungsverfahren

Wie bereits erwahnt wurde, gibt es eine Reihe von Verfahren zur Berechnung der Spannungsverteilung in einschnittig uberlappten Metallklebverbindungen. Im wesentlichen unterscheiden sie sich durch die vereinfachenden Annahmen, die zur leichteren mathematischen Behandlung getroffen werden.

Untersuchungen zum Verformungs- und Festigkeitsverhalten geklebter Verbindungen

Von den geometrischen Parametern beeinflust die Uberlappungslange die Tragfahigkeit uberlappter Metallklebverbindungen am starksten. Je nach den Verformungs- und Festigkeitseigenschaften des Klebstoffes nimmt die Bindefestigkeit, d.h. die auf die Fugeflache bezogene Bruchkraft, mit zunehmender Uberlappungslange bei sonst konstanten Einflusgrosen mehr oder weniger stark ab. Das liegt im wesentlichen daran, das die Spannungs- und Verformungsuberhohung am Uberlappungsende bei grosen Uberlappungslangen erheblich ausgepragter ist als bei kleinen (vgl. Kap. 6).

Untersuchungen zum Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Klebstoffsubstanzen

In der Vergangenheit hat man versucht, die mechanischen Kenngrosen und-funktionen von Kunststoffen mit den klassischen Methoden der Werkstoffprufung zu beschreiben. Mit zunehmender Kenntnis des besonderen Verhaltens hochpolymerer Stoffe muste man aber feststellen, das diese Prufungen als alleinige Grundlage fur die Ermittlung der Tragfahigkeit oder fur die Dimensionierung nicht unmittelbar geeignet sind [48].