Beschreibung
P 1268 – Charakterisierung und Modellierung von Kerbeffekten durch Mischverbindungen in Karosseriebauteilen aus hochfesten Stählen
Der Bedarf nach einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs moderner Fahrzeuge bedingt eine Reduktion der Fahrzeugmasse. Besonders die Konstruktion in Mischbauweise hat erhebliches Potential zur Gewichtseinsparung bei gleichzeitig hoher passiver Sicherheit. Insbesondere Verbindungen aus presshartem Stahl und Aluminium finden deswegen in der Entwicklung moderner Karosserien breite Anwendung. Dabei ist zu bedenken, dass die Konstruktion in Mischbauweise speziell die Fügetechnik vor Herausforderungen stellt, da artverschiedene Werkstoffe nicht ohne weiteres verschweißt werden können. Dementsprechend gewinnen alternative Fügeverfahren wie das Halbhohl- und Vollstanznieten oder auch das Reib- und Widerstandselementschweißen vermehrt an Bedeutung. Diese Fügestellen in Bauteilen stellen technische Kerben dar, wobei die Art der Kerbwirkung anhand der eingesetzten Fügeverfahren unterschieden werden kann. Mechanische Fügeverfahren wie das Halbhohl- und Vollstanznieten haben eine geometrische Kerbe aufgrund des eingebrachten Loches zur Folge, wobei an der Lochkante aufgrund des Fügeprozesses hohe plastische Dehnungen und Vorschädigungen auftreten können. Thermisch-mechanische Fügeverfahren haben hingegen metallurgische Kerben in Form von Wärmeeinflusszonen aufgrund der eingebrachten Wärme während des Fügeprozesses zur Folge.
In diesem Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Kerbwirkung aufgrund unterschiedlicher Fügeverfahren (Halbhohl- und Vollstanznieten sowie Reib- und Widerstandselementschweißen) auf das Tragverhalten von Bauteilstrukturen experimentell und numerisch untersucht. Dazu wurden Versuche an durch die einzelnen Fügeverfahren gekerbten Proben unter quasistatischer und schlagartiger Belastung durchgeführt.
Weiterhin wurde die Tragfähigkeit der einzelnen Fügeverbindungen bei unterschiedlichen Belastungswinkeln mit Hilfe des LWF-KS-2-Prüfkonzepts unter quasistatischer und schlagartiger Belastung untersucht. Zur Validierung der entwickelten numerischen Modelle wurden schließlich Musterbauteilversuche unter quasistatischer und schlagartiger Belastung durchgeführt. Anhand der experimentellen Versuchsergebnisse aus den Untersuchungen an den gekerbten Proben wurden Ersatzmodellierungen entwickelt, mit denen das Versagensverhalten der Proben bei Belastung in der Blechebene wiedergegeben werden kann. Zusätzlich wurden anhand der Ergebnisse der LWF-KS-2-Versuche Parameter für das Ersatzmodell *CONSTRAINED_SPR3 (Modell 2) bestimmt, um das Verbindungstragverhalten in der Crashsimulation berücksichtigen zu können. Die kalibrierten Modelle wurden schließlich anhand der experimentellen Ergebnisse der Musterbauteilversuche für komplexe Belastungssituationen validiert.
Anhand der in diesem Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse sind Anwender der untersuchten Fügeverfahren dazu in der Lage, die Auswirkungen der eingebrachten Kerbstellen auf das Tragverhalten von Bauteilen in Crashsimulationen abzuschätzen. Mit Hilfe der entwickelten Modellierungsstrategien zur Berücksichtigung von kerbbedingtem Bauteilversagen in der Ersatzmodellierung von Fügestellen, kann dieser Versagensfall bereits früh in der Bauteilentwicklung berücksichtigt werden.
Veröffentlichung:
2021
Autoren:
Prof. Dr. rer. nat. P. Gumbsch, Prof. Dr.-Ing. G. Meschut
