A222

Betriebsfeste Bemessung von mehrachsig belasteten Laserstrahlschweißverbindungen aus Stahl-Feinblechen des Karosseriebaus

(A222 S 24/10080/2004)

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

Aufgrund der Leichtbaumöglichkeiten durch das Laserstrahlschweißen gewinnt im Karosserie- und Fahrzeugbau diese Fügetechnologie immer mehr an Bedeutung. Daher sind für den Konstrukteur effiziente Berechnungsmethoden für eine gezielte Vorauslegung von Schweißverbindungen in Bezug auf die Betriebsfestigkeit erforderlich. Nachdem in verschiedenen Forschungsprojekten der letzten Jahre die Grundlagen für die Festigkeitsberechnung von geschweißten Feinblechverbindungen geschaffen worden waren, wurde in diesem Projekt nun ein Schritt in Richtung realer Betriebsbelastungen getan, nämlich die Ausweitung der bisherigen Erkenntnisse auf das Festigkeitsverhalten bei Belastungen mit mehrachsigen Spannungszuständen und variablen Amplituden.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer ingenieurmäßig anwendbaren Festigkeitshypothese für die Bemessung von mehrachsig belasteten laserstrahlgeschweißten Feinblechverbindungen auf Basis von Kerbgrundbeanspruchungen sowie die Beschreibung des Festigkeitsverhaltens von Laserstrahlschweißverbindungen unter Belastung mit variablen Amplituden. Die rechnerischen Methoden wurden auf Basis der Ergebnisse aus Schwingfestigkeits-versuchen an laserstrahlgeschweißten Rohrproben aus dem Stahl S 235 G2T (St 35) unter reiner Axialbelastung, reiner Torsion und kombinierter phasengleicher (konstante Hauptspannungsrichtungen) sowie kombinierter phasenverschobener Axial- und Torsionsbelastung (veränderliche Hauptspannungsrichtungen) sowohl mit konstanten als auch mit variablen Amplituden entwickelt und verifiziert.

Es wurden verschiedene Festigkeitshypothesen angewendet und bewertet sowie eine für die ingenieurmäßige Anwendung geeignete, modifizierte Methode auf Basis von Kerbgrundbeanspruchungen entwickelt.

Es hat sich gezeigt, dass bei den hier vorliegenden Schweißverbindungen von duktilen Grundwerkstoffen Beanspruchungen mit veränderlichen Hauptspannungsrichtungen im Vergleich zu Beanspruchungen mit konstanten Hauptspannungsrichtungen zu einer Verkürzung der Lebens-dauer führen. Mit Hilfe der entwickelten Festigkeitshypothese kann dieses Verhalten rechnerisch gut abgebildet werden. Die mittels FEM-Methoden nach dem Kerbspannungskonzept be-rechneten lokalen Beanspruchungen an der Oberfläche der Ersatzkerbe werden in Spannung-komponenten zerlegt, durch die eine anschauliche Beschreibung des zweiaxialen Beanspruchungszustandes bei konstanter Phasenverschiebung über invariante Ellipsen im Spannungsraum möglich ist. Über die Hauptachsen dieser Beanspruchungsellipse wird eine Vergleichsspannungsamplitude definiert deren freie Parameter an vorhandene Versuchsergebnisse angepasst wurden. Über die KerbspannungsMasterwöhlerlinie kann damit die Lebensdauer zuverlässig abgeschätzt werden.

Weiterhin haben die durchgeführten Schwingfestigkeitsversuche gezeigt, dass durch Spannungsarmglühen der Proben kein nennenswerter Einfluss auf die Lebensdauer, sowohl bei Versuchen mit konstanten als auch bei Versuchen mit variablen Amplituden, resultiert. Ebenso zeigte sich, dass die Mittelspannungsempfindlichkeit für die untersuchten Fälle im Bereich 0 > R > -1 vernachlässigt werden kann.

Für die Bewertung von Beanspruchungen mit veränderlichen Amplituden wird aufgrund der  durchgeführten Schwingfestigkeitsversuche sowohl für einaxiale als auch für mehraxiale Beanspruchungen als zulässige Schadenssumme Dzul = 0,5 empfohlen.

Vor dem Hintergrund der aus Kostengründen notwenigen Reduzierung von Hardwareversuchsschleifen gewinnt die virtuelle Festigkeitsauslegung von Fahrzeugkomponenten zunehmend an Bedeutung. Die in diesem Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse verbessern die Zuverlässigkeit und erweitern die Anwendbarkeit der Lebensdauerberechnungsmethoden für mehrachsig beanspruchte Schweißverbindungen von Feinblechen. Das Leichtbaupotenzial von Stahl kann besser ausgenutzt werden. Die entwickelten Methoden können direkt in die von der Industrie bei der Fahrzeugentwicklung verwendeten Lebensdauerberechnungsprogramme ein-fließen.

Forschungsstelle 1:
Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF)
www.lbf.fraunhofer.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka

(vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))

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