Unter dem Trend der industriellen Leichtgewicht werden kurzfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe aufgrund ihrer leichten Verarbeitung und niedrigen Kosten immer häufiger eingesetzt. Bei Anwendungen mit mehreren Strukturen müssen kurzfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe mit anderen Materialien geklebt werden, und wie man die Festigkeit ihrer Verklebungsverbindungen genau und effektiv vorhersagt, um die Sicherheit der Struktur zu gewährleisten, ist ein dringendes Problem. Als Antwort auf diese Frage hat Masaki Omiya von der Keisei-Universität in Japan vorgeschlagen, zwei (Based on J, Based on G) J-Integralwerte mit einer direkten Methode zu berechnen, um die Parameter des CZM-Modells zu erhalten, und basierend auf dieser Methode hat er eine Methode entwickelt, um die Festigkeit der Klebstoffverbindungen mit kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen als Klebstoffe vorherzusagen, was ein präziseres Werkzeug für die Design- und Leistungsbewertung von relevanten Produkten bietet.

Abbildung 1 ENF-Testschema und Beschreibung der Analyseparameter

Dieser Artikel simuliert den Ausfallprozess Typ II von Verbindungen unter Schnerkraft durch Endschnittbiegung (ENF). Der Klebstoff ist ein kurzfaserverstärkter thermoplastischer Kunststoff mit einem Klebstoff aus Epoxidharz. Die Oberfläche des Klebstoffs wird vor der Durchführung des Tests durch Laserkorrosion behandelt, Metallfilm und Teflon-Klebstoff verwendet, um die Klebstoffschichtdicke zu kontrollieren und den ersten Riss vorzubereiten. Dreipunktige Biegelastungen werden während des Tests mittels Verschiebungssteuerung durchgeführt. Schließlich wird eine Endelementanalyse (Abbildung 2) in Kombination mit den analysierten CZM-Parametern durchgeführt, um die Richtigkeit der hier verwendeten Methode zu überprüfen.

Abbildung 2 Grenzbedingungen und Gittermuster für ENF-Teste mit Endelementen

Die Forscher verwendeten ENF-Testdaten, um zwei verschiedene Formen des J-Integrals des Typ II-Bruchs zu berücksichtigen: Eine berücksichtigte die Energie, die durch die plastische Verformung des Klebstoffs verbraucht wurde (basierend auf J), und die andere nahm an, dass der Klebstoff rein elastisch war (basierend auf G). Sie leiteten auf der Grundlage dieser beiden J-Integrale jeweils zwei verschiedene CZM-Modellparametere ab (Abbildung 3) und ersetzten diese beiden Parameter in die Endelementanalyse, um die Last-Verschiebungskurve für die Endelementanalyse des ENF-Tests zu erhalten. Der Vergleich der experimentellen Daten des ENF-Tests mit den Ergebnissen der Endelemente zeigte, dass CZM-Parameter, die auf dem J-Integral basieren, basierend auf der Hypothese der reinen Elastizität, die tatsächliche Festigkeit der Verbindungen genauer vorhersagen können.

Abbildung 3 CZM-Parameter basierend auf zwei verschiedenen Formen von J-Integralen

Abbildung 4 ENF-Versuchslast-Verschiebungskurve Versuchsdaten und Endelementergebnisse im Vergleich

Zusammenfassend wurde in diesem Artikel eine Methode entwickelt, um die Festigkeit von kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen als Klebstoffverbindungen vorherzusagen. Die experimentellen Daten des ENF-Tests wurden durch die direkte Methode analysiert, um CZM-Parameter unter zwei Hypothesen zu erhalten, und dann auf der Grundlage der beiden erhaltenen Gruppen von CZM-Parametern jeweils eine finite Elementsanalyse durchgeführt und die simulierte Last-Verschiebungskurve mit den experimentellen Ergebnissen verglichen wurde. Es wurde festgestellt, dass die anhand der direkten Methode, die unter der Hypothese der reinen Elastizität vorhergesagt wurde, bei der Verwendung von thermoplastischen Materialien mit niedriger Steifigkeit (wie kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffen) erhaltenen Klebefestigungsfestigkeitsparameter mit der realen Situation übereinstimmen. Die Arbeit in diesem Artikel zur Erhebung von CZM-Parametern im Klebersystem zur Erstellung von CZM-Modellen bietet neue Ideen.

Die Studie wurde unter dem Titel „Validation of mode II cohesive law obtained using the direct method with short-fiber-reinforced thermoplastic adhesively bonded end-notched flexure joints“ in der Fachzeitschrift „Engineering Fracture Mechanics“ veröffentlicht.