A226

Auswirkung der Berücksichtigung lokaler Größen des E-Moduls in Hinblick auf die verbesserte Auslegung umgeformter Karosserieblechstrukturen aus Stahl

(A226 S 24/10084/2004)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2004 - 31. März 2007

Im Automobilbau steht das aus Umweltschutzgründen verfolgte Ziel des Karosserieleichtbaus seit einigen Jahren den steigenden Anforderungen an die aktive und passive Sicherheit der Fahrzeuge  gegenüber. Um diesem Zielkonflikt zu begegnen, werden neue Stahlwerkstoffe mit höherer Festigkeit entwickelt. Der Einsatz dieser hochfesten Stähle führt durch ihr Festigkeits-potenzial zu einer Reduzierung der Blechdicke der Karosseriebauteile. Ohne weitere Optimierung bewirkt diese Blechdickenreduzierung jedoch eine Verminderung der elastischen Steifigkeit des Bauteils, welche maßgeblich von der Werkstoffkenngröße E-Modul beeinflusst wird.

Das Ziel der Forschungsarbeit lag darin, die Auslegung von steifigkeitsrelevanten Karosserie-bauteilen aus Stahl zu verbessern, um deren Werkstoffpotential optimal zu nutzen. Obwohl die Karosseriesteifigkeit stark vom Elastizitätsmodul der verwendeten Stähle abhängt, wird deren genauer Betrag bislang nur selten im Rahmen der Steifigkeitssimulation von Bauteilen im Au-tomobilbau berücksichtigt, da hierfür ein komplexes methodisches Vorgehen notwendig ist. Oft wird stattdessen der Literaturwert für den E-Modul von unlegiertem Stahl verwendet; dieser liegt bei 210 GPa.

Tatsächlich ist der E-Modul jedoch sowohl von der Vorverformung des Bauteils, welche aus dem Umformprozess resultiert, als auch von der Wärmebehandlung abhängig. Häufig werden z.B. die Bauteile durch das Lackeinbrennen einer sogenannten „bake hardening“ Behandlung unterzogen, was unter anderem zu einer Festigkeitssteigerung des Bauteils führt, aber auch den E-Modul des verwendeten Werkstoffs beeinflusst.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden bei der Bestimmung der Steifigkeit eines Karos-seriebauteils die lokalen E-Modulwerte der verwendeten Stähle und deren Abhängigkeiten von plastischen Verformungen und Wärmebehandlungen in der Steifigkeitssimulation für eine B-Säule berücksichtigt. Die zu untersuchenden Werkstoffe waren DC04 (weicher Tiefziehstahl), H 300 BD (mikrolegierter Stahl), HCT 600 X (Dualphasenstahl) und HCT 690 T (TRIP-Stahl). Für die Steifigkeitssimulation wurden die lokalen Elastizitätsmoduli, die Bauteilgeometrie und die Wandstärke aus der experimentellen E-Modul-Ermittlung und der Umformsimulation bereitgestellt. Als Untersuchungsmerkmal dienten die Steifigkeits- und Dehnungskurven (Dehnungswerte im elastischen Bereich). Die aus den Steifigkeitsberechnungen gewonnenen Kurven wurden mit den realen Messergebnissen verglichen. Um die Einflüsse der übertragenen lokalen E-Moduli und der Wandstärke zu identifizieren, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt.

Generell wurde unter Berücksichtigung des lokalen E-Moduls eine Verbesserung der Simulationsergebnisse erzielt. Durch die Berücksichtigung der Historie der Umformsimulation kann mit Hilfe der Steifigkeitsberechnung das reale Steifigkeitsverhalten besser angenähert werden, da-her ist deren Berücksichtigung für zukünftige Steifigkeitssimulationen sinnvoll. Die im Rahmen dieses Projekts verwendete Methodik kann dafür genutzt werden.
Allerdings ist zur Gewinnung der Eingangsdaten für die Steifigkeitssimulation, nämlich der Messung der lokalen E-Modulwerte abhängig von der Vorverformung und Wärmebehandlung, ein erheblicher Mehraufwand im Bereich der Kennwertermittlung der Werkstoffprüfung erforderlich. Ob dieser Mehraufwand gerechtfertigt ist, muss für jeden einzelnen Anwendungsfall abgewogen werden. Gerade wenn die Abweichungen vom normalerweise in der Steifigkeitssimulation verwendeten Literaturwert für den Werkstoffkennwert E-Modul von 210GPa nicht besonders groß sind, bringt die Berücksichtigung der lokalen E-Moduli keine große Verbesserung für die Simulation.

Forschungsstelle 1:
Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) der RWTH Aachen
www.iehk.rwth-aachen.de

Forschungsleiter 1:
Univ.-Prof.Dr.-Ing. W. Bleck

Forschungsstelle 2:
Institut für Kraftfahrwesen (ika) der RWTH Aachen
www.ika.rwth-aachen.de

Forschungsleiter 2:
-
 
Forschungsstelle 3:
Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen (IBF)
www.ibf.rwth-aachen.de
 
Forschungsleiter 3:
-
vorgelegt vom Verband der Autobilindustrie e.V. (VDA für FAT), Frankfurt

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF