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

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V34-Striewe


Kernthesen

  • Für mechanisch gefügte Verbindungen besteht ein Zusammenhang zwischen der Kinematik des Fügeelements unter Belastung und dem Auftreten von Blechmaterialversagen.
  • Anhand von experimentellen Untersuchungen kann die Fügeelementkinematik in Abhängigkeit unterschiedlicher Fügeteilwerkstoffe und variierender Belastungszustände ermittelt und mit Hilfe von Prognosefunktionen analytisch beschrieben werden.
  • Mittels spezieller Ersatzmodellierungsansätze kann das Verformungs- und Versagens-verhalten mechanisch gefügter Verbindungen unter Berücksichtigung der lokalen Füge-elementkinematik beschrieben werden.

Zusammenfassung

Dieser Vortrag beschäftigt sich mit der lokalen Kinematik von Fügeelementen in mechanisch gefügten Verbindungen unter Zugbelastung. Die Kinematik des Fügeelements hat einen entscheidenden Einfluss auf den Versagensmechanismus und damit auf die Energieaufnahme und Tragfähigkeit der Verbindung.Eine korrekte Prognose der Kinematik des Fügeelements ist somit von entscheidender Wichtigkeit, wenn das Trag- und Versagensverhalten wiedergegeben werden soll. Der Vortrag umfasst einen numerischen Teil und einen experimentellen Teil.

Auf Seiten der numerischen Simulation werden Ergebnisse der Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens der untersuchten Blechwerkstoffe gezeigt. Auf experimenteller Seite wird anhand von Verbindungscharakterisierungsversuchen der Einfluss des Decklagenwerkstoffes sowie artfremder Werkstoffe in der Basislage auf die Fügeelementkinematik und den Versagensmechanismus analysiert.

Die Ermittlung der Fügelementkinematik erfolgt dabei mittels optischer Messungen auf dem Fügeelementkopf. Weiterhin werden Ergebnisse aus Stufenzugversuchen, metallographischen Schliffbilduntersuchungen und in-situ CT-Analysen vorgestellt, die zur Ermittlung der Fügeelementkinematik eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Methoden zur Erfassung der Fügeelementkinematik unter Zugbelastung werden anschließend miteinander verglichen und bewertet.

Die Ergebnisse der Verbindungscharakterisierungsversuche werden schließlich zur Entwicklung von Prognosefunktionen zur Abbildung der Fügeelementkinematik, des Versagensmechanismus und der Maximalkraft in Abhängigkeit des Decklagenwerkstoffes verwendet. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird im weiteren Projektverlauf ein bestehender Ansatz für die Ersatzmodellierung von mechanisch gefügten Verbindungen hinsichtlich der Berücksichtigung der lokalen Fügeelementkinematik erweitert.


Darstellung des Nutzens für KMU

Die gewonnenen Erkenntnisse über das Trag- und Versagensverhalten mechanisch gefügter Verbindungen unter Berücksichtigung der lokalen Fügelementkinematik ermöglichen eine gezielte 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 prognostizieren und unterschiedliche Versagensmechanismen zu erkennen. Die verbesserte Prognosegüte der Ersatzmodelle in der Crashsimulation ermöglicht eine gezielte 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 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

IGF 01IF22538N - FOSTA P 1652 – Laufzeit 01.02.2023-31.07.2025


Referent: Marius Striewe, M.Sc., Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn

 


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