Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse stanzgenieteter Bauteile

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.

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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.