Ersatzmodellentwicklung zur Berücksichtigung der lokalen Fügeelementkinematik in mechanisch gefügten Verbindungen für die Bauteilauslegung im stahlintensiven Karosseriebau

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Kernthesen

  • Für mechanisch gefügte Verbindungen besteht ein Zusammenhang zwischen der Kinematik des Fügeelements unter Belastung und dem Auftreten von Blechmaterialversagen.
  • Mit Hilfe spezieller Ersatzmodellierungsansätze kann das Verformungs- und Versagens-verhalten mechanisch gefügter Verbindungen unter Berücksichtigung der lokalen Füge-elementkinematik beschrieben werden.
  • Die Berücksichtigung der lokalen Fügeelementkinematik ermöglicht die Abbildung von Blechmaterialversagen in der Ersatzmodellierung und verbessert die Prognosegüte von Bauteilsimulationen.

Zusammenfassung

Dieser Vortrag beschäftigt sich mit der lokalen Kinematik von Fügeelementen in mechanisch gefügten Verbindungen unter Belastung und deren Auswirkungen auf das Crashverhalten. Die Kinematik des Fügeelements hat einen entscheidenden Einfluss auf den Versagensmechanismus und damit auf die Energieaufnahme und Tragfähigkeit der Verbindung.

Eine korrekte Prognose des Versagensmechanismus der Verbindung ist somit von entscheidender Wichtigkeit, wenn das Tragverhalten wiedergegeben werden soll. Die durchzuführenden Untersuchungen umfassen einen experimentellen und einen numerischen Teil. Auf experimenteller Seite wird der Einfluss der lokalen Fügeelementkinematik auf das Tragverhalten von mechanisch gefügten Verbindungen unter Belastung mit Hilfe von LWF-KS-2-Versuchen ermittelt und kritische Belastungszustände, die zu Blechmaterialversagen führen, identifiziert.

Die Hauptuntersuchungen erfolgen an Halbhohlstanznietverbindungen (HHSN). Darüber hinaus wird eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das fließlochformende Schrauben (FLS) geprüft. Eine Validierung der Probenversuche wird anhand von Bauteilversuchen durchgeführt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird anschließend ein bestehender Ansatz für die Ersatzmodellierung von mechanisch gefügten Verbindungen hinsichtlich der Berücksichtigung der lokalen Fügeelementkinematik erweitert.

Hierdurch soll ermöglicht werden, unterschiedliche Versagensmechanismen der Verbindung zu detektieren und somit die Prognosegüte des Ersatzmodells zu steigern. Das weiterentwickelte Modell wird schließlich durch Simulation der experimentellen Bauteilversuche unter komplexen Belastungszuständen validiert.


Darstellung des Nutzens für KMU

Die gewonnenen Erkenntnisse über das Trag- und Versagensverhalten mechanisch gefügter Verbindungen unter Berücksichtigung der lokalen Fügelementkinematik ermöglichen eine gezieltere Auslegung von Verbindungen, was in einer höheren Sicherheit der Konstruktion resultiert. Hierdurch wird es insbesondere KMU ermöglicht das Leichtbaupotential unterschiedlicher Werkstoffe optimal auszuschöpfen, wobei eine hohe Sicherheit der Konstruktion gewährleistet werden kann.

Die entwickelten FE-Ersatzmodelle sollen Ingenieursdienstleistern, die vielfach KMU sind, zur Verfügung gestellt werden. Dadurch wird es den KMU ermöglicht, das Trag- und Versagensverhalten mechanisch gefügter Verbindungen in Bauteilsimulationen besser zu berücksichtigen und unterschiedliche Versagensmechanismen zu erkennen. Die verbesserte Prognosegüte der Ersatzmodelle in der Crashsimulation ermöglicht somit eine gezieltere Auslegung von mechanisch gefügten Verbindungen und steigert infolgedessen die Ressourceneffizienz durch den Einsatz kleinerer Blechdicken. Weiterhin soll mit dem entwickelten FE-Ersatzmodell der Aufwand bei der Parameterbestimmung zur Bedatung reduziert werden, wodurch Entwicklungszeit eingespart werden kann.

Die Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben sollen in bestehende Richtlinien zum mechanischen Fügen einfließen und so einer breiten Anwenderschaft zugänglich gemacht werden.


Projekt

FOSTA VP 1652, IGF 22538 N

Referent: Philipp Bähr, M.Sc., Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg


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