Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7193

Optimierung von Klebeverbindungen nach dem Vorbild der Natur

Matthias Munzinger

Zusammenfassung
In der Natur laufen über Jahrmillionen evolutionäre Prozesse, die den Aufbau und das Reparaturverhalten natürlicher Konstruktionen auf die jeweilige Beanspruchung hin optimieren. Diese Optimierung kann an Bäumen und Knochen auch zur Betriebszeit beobachtet werden. Die beobachtetenWachstumsprinzipien konnten in dieser Arbeit mit Hilfe der Finiten Elemente auf technische Bauteile übertragen werden. Daraus wurde eine iterative Methode entwickelt und zur Optimierung von technischen Klebeverbindungen eingesetzt. Die Methode lässt unterbelastete Bereiche schrumpfen, während überbelastete Bereiche wachsen. Diese Modellmodifikation führt zu angepassten Steifigkeiten der Fügeteile und einer Homogenisierung des Spannungsverlaufs in der Klebeschicht. Eine erste Verifikation der Methode wurde über ein technisches Modell einer einschnittig überlappenden Klebeverbindung vorgenommen. Die optimierte Form konnte mit einem natürlichen Vorbild verglichen und erfolgreich experimentell bestätigt werden. Als weitere Verifikationsmodelle wurden ein vom Holzstrahl der Bäume inspiriertes Modell und ein Widerlager an einer starren Wand optimiert. Die Verifikationen zeigten Möglichkeiten des Optimierungsverfahrens unter verschiedenen Randbedingungen auf.

Optimization of Adhesive Joints Modeled on Nature

Abstract
Over millions of years, natural constructions and their mechanisms of repair have been developed further by evolutionary processes in nature with a view to generate biologically favorable structures with optimal adaption towards operational demands and loads. These processes of optimization can even be observed during operating times of trees and bones. From the natural growth and repair behavior of bones and trees, mechanically stimulated growth rules of natural constructions were derived and transferred to technical assembly parts using the finite-element method (FEM). Then, an iterative method was developed in order to technically optimize adhesive joints. This method makes underloaded elements shrink, whereas overloaded elements are made grow according to the overload. The result of optimization are adapted parts to be joined with a minimum weight and a largely homogenized stress distribution in the adhesive layer with a minimum use of adhesive. A first verification of the method was carried out using a single lap adhesive joint. The optimized form was compared with the natural archetype and resulted in an experimental confirmation of the method. For further verification, a model inspired by wood rays and a thrust bearing at a solid wall were optimized. These verifications showed further possibilities of this method of optimization to be applied under various general conditions.

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