Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse stanzgenieteter Bauteile

Die Fügetechnik gilt als Schlüsseltechnologie zur Energieeinsparung sowie zum Einsatz neuer Werkstoffe und damit zur Neu- und Weiterentwicklung von innovativen, ressourcensparenden Produkten. Ein in vielen Branchen weit verbreitetes und etabliertes Fügeverfahren ist das Halbhohlstanznieten. Aufgrund fehlender Berechnungskonzepte zur betriebsfesten Auslegung dieser Verbindungen ist es Stand der Technik, umfangreiche experimentelle Festigkeitsnachweise mit Prototypen durchzuführen. Die Verbesserung dieses unwirtschaftlichen und zeitintensiven Vorgehens ist der Anlass für diesen Forschungsantrag.

Es soll eine numerische Simulations- und Bemessungsmethode für zyklische Beanspruchungen entwickelt werden. Zunächst wird ein Örtliches Konzept basierend auf Werkstoffkennwerten und Belastungssimulationen an hochaufgelösten 3D-Modellen verfolgt. Da diese Modelle zur Berechnung großer Strukturen aufgrund der Rechenzeiten und -kapazitäten unwirtschaftlich sind, werden die gewonnenen Erkenntnisse auf vereinfachte, recheneffiziente Modelle übertragen. Durch begleitende experimentelle Untersuchungen an technologischen Proben und bauteilähnlichen Versuchen wird die Methode abgesichert.

Durch einen Merkblatt-Entwurf soll die entwickelte Auslegungsmethode zusätzlich standardisiert werden. Von einer standardisierten, sicheren und kostengünstigen Methode zur Abschätzung der Lebensdauer werden insbesondere KMU profitieren, z.B. Prüf- und Berechnungsdienstleister, Softwareanbieter und Zulieferbetriebe. Der Nutzerkreis kommt aus vielen Industriezweigen und Aufgabenfelder (z. B. Berechnungsabteilungen, Softwareentwickler, Fügeelementhersteller). Das Projekt trägt zur Entwicklung von Richtlinien bei. Für KMU ist interessant, dass die Ergebnisse dieses Projektes mit geringen Investitionskosten umgesetzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des 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. Als Ergebnis werden zwei Vorgehensweisen angegeben:

1. Vorgehensweise über örtliche Schnittlasten:

Für komplexe Geometrien wurde 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.

2. Eine Methodik zur Ermittlung der Beanspruchungen in der Fügeverbindung wurde entwickelt. Damit wurden Erkenntnisse über Einflüsse auf die örtlichen Beanspruchungen gewonnen, um den Fügepunkt simulativ charakterisieren zu können. Die Ermittlung der Lebensdauerinformationen aus den örtlichen Beanspruchungen erfolgt mit dem Örtlichen Konzept in Anlehnung an die FKM-Richtlinie nichtlinear.

Die Verifikation der Vorgehensweisen erfolgt durch den Vergleich der rechnerischen mit experimentellen Lebensdauern von Proben mit drei verschiedenen Materialkombinationen aus Aluminium und Stahl.

Vorgehensweise 1 zeigt für Fügeverbindungen, bei denen am Fügepunkt nur eine geringe Biegebeanspruchung auftritt, eine treffsichere Lebensdauerabschätzung mit Hilfe des experimentell charakterisierten Fügepunktes. Mit Vorgehensweise 2 kann der Versagensort in der Fügeverbindung zuverlässig abgeschätzt werden. Eine Lebensdauerabschätzung mit dieser Methodik ist nur für die untersuchte artreine Aluminiumverbindung möglich. Für die Verbindungen, in denen ein Aluminiumblech und ein Stahlblech gefügt werden, zeigt die Treffsicherheit noch erkennbares Verbesserungspotential.