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_id: '21152'
abstract:
- lang: eng
text: 'In modern lightweight designs, it is important to find a compromise between
the strength and the weight of the construction detail. Hence, hybrid structures
made of aluminum and steel materials are increasingly being used in automotive
applications. Due to limitations in the quality of resistance spot welding, self-piercing
riveting can be used as an alternative process to join sheets from different material
groups. The aim of this project is to develop a computational method to assess
the self-piercing riveted components subjected to the cyclic loads. To achieve
this goal, two approaches are followed: Evaluation unsing internal forces: A substitute
model is developed to describe the stiffness of self-piercing riveted joints subjected
to different loading conditions. The parameters of the substitute model are identified
and the internal force components acting on the joint are evaluated. The model
provides the basis for the subsequent fatigue life estimation of self-piercing
riveted components. For joints subjected to low bending moments, the fatigue life
of components can be estimated accurately. Due to lack of specimen geometries
producing pure bending and the combination of tension-bending forces, it is not
possible to estimate the fatigue life of complex components subjected to high
bending moments. Based on the results of [Mesc 16], the methodology is further
developed to determine the stresses acting on the joint and to characterize the
joining point with the use of simulations. The local concept proposed in the FKM
guideline nonlinear provides the basis for the analytical assessment of self-piercing
riveted components. In this regard, the cyclic behavior of the material and the
local stresses are required as input data. The cyclic behavior of the aluminum
EN AW-6181A-T6 and steel HX340LAD sheets were already determined in the previous
project. Subsequently, in this project the properties of the rivet made of 38B2
steel are identified. The finite element analysis using elastic-plastic material
behavior is used to determine the stresses in the joint subjected to the cyclic
loads. To verify the model, the results of simulations and experiments are compared
concerning the crack initiation zone as well as the determined number of cycles.
To determine the stresses that can be used for the analytical assessment, the
damage relevant load components need to be identified. In this regard, it is recommended
to use the normal stress perpendicular to the crack propagation direction, the
stress of crack opening mode I. Using the damage parameter PRAM and considering
the support factors according to the FKM guideline nonlinear, a reliable estimation
of the crack initiation zone within the joint is possible. Regarding the joint
made of aluminum sheet EN AW-6181A, the methodology is able to provide promising
results. However, regarding the joints made of aluminum EN AW-6181A and steel
HX340LAD sheets, there is still potential to improve the results. The reasons
for this are described in chapter 7.2.5 and 7.2.6. An analytical fatigue assessment
is relatively easy to achieve with procedure 1. However, contrary to the objective
formulated above, expensive fatigue tests are necessary to determine the failure
conditions (strength values). This disadvantage can be circumvented by determining
the strength information of individual joining points under different load types
using procedure 2. The latter, in return, is not suitable for the assessment of
complex components with several joining points. Due to the increasing calculation
times of the simulation, the application in this case is not economically reasonable.
By the described combination of method 1 and 2, the disadvantages of the two individual
concepts can be compensated. An analytical fatigue assessment of self-piercing
riveted components can be carried out based on the cyclic material behavior. The
objective of the project was achieved.'
- lang: ger
text: 'Hybridstrukturen aus Aluminium- und Stahlblechen, wie sie bei modernen Leichtbaukonstruktionen
immer häufiger vorkommen, sind oft ein guter Kompromiss zwischen Festigkeit und
Gewicht der Konstruktion. Das in der Blechverarbeitung häufig eingesetzte Widerstandspunktschweißen
führt bei der Verbindung von artverschiedenen Werkstoffen häufig nicht zu der
gewünschten Verbindungsqualität. In solchen Fällen kann das mechanische Fügen
mittels Halbhohlstanzniet eine gute Alternative darstellen. Das Ziel dieses Forschungsprojektes
ist die Entwicklung einer Berechnungsmethode zur Auslegung von zyklisch belasteten
halbhohlstanzgenieteten Bauteilen. Die zu entwickelnde Berechnungsmethodik soll
dem späteren Anwender eine Bauteilauslegung mit möglichst geringem experimentellem
Aufwand ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zwei Vorgehensweisen
verfolgt: Vorgehensweise über örtliche Schnittlasten: Für komplexe Geometrien
wird ein Ersatzmodell des Fügepunktes entwickelt, welches dieselben Steifigkeiten
wie der reale Fügepunkt aufweist. Mit den Kraftkomponenten, die auf den Ersatzfügepunkt
wirken und dessen simulativer oder experimenteller Charakterisierung, kann die
Lebensdauer für komplexe Bauteile abgeschätzt werden. Für Fügeverbindungen, bei
denen am Fügepunkt nur eine geringe Biegebeanspruchung auftritt, kann mit Hilfe
des experimentell charakterisierten Fügepunktes eine treffsichere Lebensdauerabschätzung
durchgeführt werden. Aufgrund des Fehlens einer geeigneten Probenform zur Charakterisierung
des Fügepunktes unter Biegebelastung zeigt die Treffsicherheit bei hohen Biegebeanspruchungen
am Fügepunkt Verbesserungspotenzial. Auf Basis der Ergebnisse aus [Mesc 16] wird
die Methodik zur Ermittlung der Beanspruchungen in der Fügeverbindung weiterentwickelt
und Erkenntnisse über Einflüsse auf die örtlichen Beanspruchungen gewonnen, um
den Fügepunkt simulativ charakterisieren zu können. Eine solche Möglichkeit bietet
die Anwendung des Örtlichen Konzeptes, das in der FKM-Richtlinie nichtlinear für
homogene Werkstoffe standardisiert ist. Der dort beschriebene Algorithmus wird
als Ausgangspunkt für die rechnerische Auslegung von Stanznietverbindungen genommen
und an deren Bedürfnisse angepasst. Als Eingangsdaten zur Auslegung werden das
zyklische Werkstoffverhalten und die Beanspruchungen in der Fügeverbindung benötigt.
Das zyklische Werkstoffverhalten der Bleche aus Aluminium EN AW-6181A-T6 und Stahl
HX340LAD wurde im Vorgängerprojekt bereits bestimmt. In diesem Projekt folgt die
noch fehlende Charakterisierung des Nietwerkstoffs, des Stahls 38B2 H4. Die Bestimmung
der Beanspruchungen in der Fügeverbindung unter zyklischer Belastung erfolgt mit
Hilfe einer Finite-Elemente-Analyse mit elastisch-plastischem Verformungsverhalten.
Verifiziert werden die Simulationsergebnisse, indem die Versagensorte aus Simulation
und Versuch sowie die berechneten und experimentellen Lebensdauern miteinander
verglichen werden. Zur Berechnung der Beanspruchungen muss die schädigungsrelevante
Beanspruchungsgröße identifiziert werden. Hier wird die Normalspannung senkrecht
zur Rissausbreitung, die sogenannte rissöffnende oder Mode I Spannung, als auszuwertende
Beanspruchungsgröße empfohlen. Mit der Verwendung des Schädigungsparameters PRAM
und unter Berücksichtigung der Stützwirkung entsprechend der FKM-Richtlinie nichtlinear
ist eine zuverlässige Abschätzung des Versagensortes in der Fügeverbindung möglich.
Für die Fügeverbindung aus dem Aluminiumblech EN AW-6181A ist mit dieser Methodik
auch eine Lebensdauerabschätzung möglich. Für die Verbindungen, in denen das Aluminiumblech
EN AW-6181A und das Stahlblech HX340LAD kombiniert werden, zeigt die Treffsicherheit
jedoch noch erkennbares Verbesserungspotential. Die Gründe hierfür werden in Kapitel
7.2.5 und 7.2.6 beschrieben. Eine rechnerische Betriebsfestigkeitsauslegung ist
mit Vorgehensweise 1 vergleichsweise einfach möglich. Jedoch sind entgegen des
oben formulierten Ziels aufwendige Schwingversuche zur Bestimmung der Versagensbedingungen
(Festigkeitswerte) notwendig. Dieser Nachteil kann umgangen werden, indem die
Festigkeitsinformationen des einzelnen Fügepunktes unter verschiedenen Belastungsarten
mithilfe von Vorgehensweise 2 ermittelt werden. Letztere wiederum eignet sich
selbst nicht für eine Auslegung komplexer Bauteile mit mehreren Fügepunkten. Aufgrund
der steigenden Berechnungsdauern der Simulation, ist die Anwendung in diesem Fall
wirtschaftlich nicht sinnvoll. Durch die beschriebene Kombinationsmethode können
die Nachteile der beiden einzelnen Konzepte kompensiert und eine rechnerische
Betriebsfestigkeitsauslegung stanzgenieteter Bauteile basierend auf den zyklischen
Werkstoffkennwerten durchgeführt werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde
erreicht. Das IGF-Vorhaben „Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse stanzgenieteter
Bauteile" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF
19760N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung
(IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht
Nr. 545 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.'
author:
- first_name: Mortaza
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- first_name: Lukas
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- first_name: Alfons
full_name: Esderts, Alfons
last_name: Esderts
citation:
ama: Otroshi M, Meschut G, Masendorf L, Esderts A. Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse
stanzgenieteter Bauteile. Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung
e.V. (EFB); 2020.
apa: Otroshi, M., Meschut, G., Masendorf, L., & Esderts, A. (2020). Simulationsbasierte
Betriebsfestigkeitsanalyse stanzgenieteter Bauteile. Europäische Forschungsgesellschaft
für Blechverarbeitung e.V. (EFB).
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chicago: Otroshi, Mortaza, Gerson Meschut, Lukas Masendorf, and Alfons Esderts.
Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse stanzgenieteter Bauteile.
Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB), 2020.
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für Blechverarbeitung e.V. (EFB), 2020.
mla: Otroshi, Mortaza, et al. Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse
stanzgenieteter Bauteile. Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung
e.V. (EFB), 2020.
short: M. Otroshi, G. Meschut, L. Masendorf, A. Esderts, Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse
stanzgenieteter Bauteile, Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung
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