Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung und Modellierung von Kerbeffekten durch Mischverbindungen in Karosseriebauteilen aus hochfesten Stählen

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung des Einflusses von technischen, d.h. geometrischen und metallurgischen Kerben, die bei der Herstellung von Mischverbindungen mit höchstfesten Stählen durch mechanische oder Kombination von mechanischen und thermischen Fügetechnologien (z.B. WES) auftreten, auf das Verformungs- und Versagensverhalten der Bauteile unter komplexen Crashbelastungen. Sowohl durch den Stanzprozess beim Nieten, als auch durch Gefügeumwandlungen beim Widerstandselementschweißen, können technische Kerben im Fügeteilwerkstoff entstehen. Diese können vor allem bei höchstfesten Stahlwerkstoffen, wie dem pressgehärteten Stahlwerkstoff 22MnB5, unter Crashbelastung zu einer erheblichen Verminderung der Bauteiltragfähigkeit und Energieabsorption führen. Bislang gibt es keine systematischen Erkenntnisse über die Auswirkungen von Kerbeffekten bei Mischverbindungen aus pressgehärtetem Stahl und Aluminium unter Crashbelastung, wobei gerade diese Materialkombinationen in crashrelevanten Teilstrukturen der Karosserien eine große Bedeutung haben. Aus diesem Grund soll hier eine systematische Analyse von Kerbwirkungen von mittels Stanznieten und Widerstandselementschweißen gefügten pressharten Bauteilstrukturen unter quasistatischen und schlagartigen Belastungen erfolgen.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden experimentelle Untersuchungen und numerische Modelle zur Evaluation kritischer Fügestellen in Baugruppen entwickelt und daraus Qualitätskriterien und Gestaltungshinweise abgeleitet, die in Merkblättern einer breiten Anwenderschaft zugänglich gemacht werden soll. Diese Merkblätter sind von hohem Nutzen für KMU. Ein weiterer Nutzen für KMU, insbesondere für die Berechnungsdienstleister, stellen die validierten und einsatzbereiten FE-Ersatzmodelle für die Crashsimulation unter der Berücksichtigung von Kerbeffekten dar, die zur Bauteiloptimierung bzgl. der Fügepositionen eingestzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Kerbwirkung aufgrund unterschiedlicher Fügeverfahren (Halbhohl- und Vollstanznieten sowie Reib- und Wi-derstandselementschweißen) 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.