A153

Aufbau eines Konzeptes zur Auslegung gefügter Stahlbauteile


(A153 S 24/05/00)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2000 – 30. Juni 2002

Die Automobilhersteller werden durch die Forderungen zur Verringerung des Schadenausstoßes veranlasst, das Fahrzeuggewicht zu verringern. Der Einsatz leichter Werkstoffe und Werkstoffkombinationen bedingt jedoch die Verwendung neuer innovativer Fügetechniken, da die bisher als Standard verwendeten Fügeverfahren wie das Punktschweißen sich nur eingeschränkt verwenden lassen. Geeignete Fügetechniken sind das Stanznieten mit Halbhohlnieten und das Clinchen.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung eines Berechnungsverfahrens zur Vorhersage der Lebensdauer von punktförmigen Verbindungen. Mittels experimenteller Untersuchungen an KS2-Proben wurden durch verschiedene Parametervariationen, wie die Veränderung des Belastungswinkels, der Blechdicke, der Fügerichtung und der Probenform, Kennwerte ermittelt und die Einflüsse auf die Verbindungsfestigkeit und Lebensdauer untersucht. Darüber hinaus wurde mittels Mehrelementproben (H-Scherzugprobe) die Übertragbarkeit überprüft und eine weitere Verifizierung an einer bauteilähnlichen Probe (Hutprofil) durchgeführt. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen sind FE-Ersatzmodelle zur Nachbildung der Eigenschaften der Stanznietverbindung entwickelt worden. Die Weiterentwicklung von komplizierteren Modellen, welche zusätzliche Einflussfaktoren berücksichtigt, soll die Genauigkeit bei der Ermittlung lokaler Beanspruchungen verbessern. Durch Korrelation der experimentell und numerisch ermittelten Kennwerte sollten Auslegungsgrößen in Form von Spannungswöhlerlinien errechnet werden, die zur Lebensvorhersage stanzgenieteter Bauteile herangezogen werden können.

Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden sowohl für die geclinchten wie auch für die stanzgenieteten Verbindungen Bemusterungen durchgeführt, wobei jeweils die gleichen Werkzeugkombinationen verwendet wurden, um den Einfluss der Werkzeuge auf die folgenden Schwingfestigkeitsuntersuchungen auszuschließen. Die anschließenden quasistatischen Untersuchungen dienten als Grundlage für die Steifigkeitsermittlungen sowie zur Festlegung der Ausgangsdaten für die Schwingfestigkeitsversuche. Die ermittelten Schwingfestigkeitskennwerte sind in Form von ertragbaren Kraftamplituden unter Berücksichtigung von werkstoff- und fertigungsbedingten Einflussfaktoren, wie oben aufgeführt, ermittelt worden. Die daraus resultierenden Wöhlerlinien und Versagensarten dienten zur Korrelation mit den Berechnungsergebnissen.

Mit den numerischen Untersuchungen wurden verschiedene Modellierungsvarianten zur Nachbildung der Stanznietverbindung aufgestellt und anschließend anhand der durch die Korrelation abgeleiteten Spannungswöhlerlinien verglichen. Darüber hinaus wurde eine Versagensanalyse durchgeführt, wobei eine Korrelation des Versagensortes mit der Lage des berechneten Spannungsmaximums stattgefunden hat. Hierbei lieferten die zwei Modellierungsvarianten „Jointc-Modell“ und „Kontakt-Modell“ die besten Übereinstimmungen bei der Korrelation. Jedoch wurde das „Jointc-Modell“ aufgrund des geringeren Modellierungs- und Berechnungsaufwandes sowie im Hinblick auf eine Implementierung in Serienbauteile bevorzugt.

Die gewünschte allgemeingültige Übertragbarkeit von Verbindungskennwerten stanzgenieteter Einelementproben (KS2-Probe) auf Mehrelementprüfkörper (H-Scherzuprobe) konnte nicht mehr aufgezeigt werden. Bei der Übertragung der Verbindungskennwerte von Mehrelementprüfkörpern auf bauteilähnliche Proben (Hutprofil) wurden jedoch gute Ergebnisse erzielt.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen haben die Möglichkeit und Grenzen des vorgestellten Berechnungsansatzes zur Bestimmung der versagensrelvanten Beanspruchungen stanzgenieteter Verbindungen aufgezeigt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit besteht darüber hinaus in erweiterten Kenntnissen über die spezifischen Probleme der Stanznietverbindung und die rechnergestützte Beanspruchungsanalyse. Durch rechnergestützte Konstruktion und Optimierung von stanzgenieteten Strukturen unter Anwendung des vorgestellten Berechnungskonzeptes sind zeitliche und finanzielle Einsparungen bei der Produktentwicklung zu erwarten.

Jedoch sind weitere Forschungsarbeiten notwendig, um noch bestehende Unklarheiten zu beseitigen. Zum Beispiel ist für eine bessere Bewertung und Vergleichbarkeit der Ergebnisse ein geeignetes Versagenskriterium notwendig. Darüber hinaus sind die Werkstoffzustände, sowie die Auswirkung der unterschiedlichen Fertigungsparameter auf die Schwingfestigkeit von stanzgenieteten Verbindungen zu berücksichtigen.

Forschungsstelle 1:

Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) Universität Paderborn
www.lwf.uni-paderborn.de

Forschungsleiter 1:

Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

vorgelegt vom Verband Automobiltechnik e.V., Frankfurt, (VDA)

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