Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss fertigungsbedingter Toleranzen auf das Versagens- und Verformungsverhalten mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung des Einflusses fertigungsbedingter Toleranzen auf das Verformungs- und Versagensverhalten mechanisch gefügter Verbindungen. Damit sollen insbesondere die klein- und mittelständischen Anwender mechanischer Fügetechnologien sowie Software-Hersteller und Anwender von FEM-Simulationen, in die Lage versetzt werden, Fügestellen gezielter auszulegen und die Prozesssicherheit der Verfahren abzuschätzen.

Mit Hilfe des KS-2 Prüfkonzeptes sollen die Auswirkungen von Fertigungseinflüssen bei den Fügeverfahren Halbhohlstanznieten, FLS und Bolzensetzen experimentell bestimmt. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen sind für das Halbhohlstanznieten FEM-Simulationen der Fügeverbindungen im Detailmodell mit Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen vorgesehen.

Das experimentell ermittelte Verformungs- und Versagensverhalten der Verbindungen bildet zusammen mit den Detailsimulationen der Verbindungen die Grundlage für die Klassifizierung der Fertigungseinflüsse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Tragfähigkeit, das Bruchverhalten und Energieabsorption in Abhängigkeit der Belastung. Damit soll ein Zusammenhang zwischen Ausprägung eines Fertigungseinflusses und dem Einfluss auf das Verformungs- und Versagensverhalten der Verbindung hergestellt und bewertet werden. Anschließend werden bestehende Ersatzmodelle für die Crashsimulation weiterentwickelt, sodass die Auswirkungen der Fertigungseinflüsse hierbei belastungsabhängig berücksichtigt werden können, um Anwendern simulativ best und worst case Betrachtungen zu ermöglichen. Durch Musterbauteilversuche, die mit zuvor festgelegten Fertigungseinflüssen hergestellt werden, sollen die an Kleinproben gewonnenen Erkenntnisse sowie die weiterentwickelten Ersatzmodelle mit Hilfe der FEM validiert werden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt werden in bestehende Merkblätter zum mechanischen Fügen integrieren.

Ergebniszusammenfassung:

Dieser Beitrag stellt eine experimentelle und nummerische Untersuchung zur Auffindung von formelmäßigen Zusammenhängen zwischen der Tragfähigkeit der Verbindung und den fertigungsbedingten Toleranzen beim mechanischen Fügen (Halbhohlstanznieten, Bolzensetzen und Fließlochformendesschrauben) vor.

Nach der Identifikation geeigneter Fertigungseinflüsse (Nietlänge, Nietkopfendlage, Orthogonalität, Lateralversatz und Flanschüberdeckung) wurden die Auswirkungen der einzelnen Fertigungseinflüsse auf das Trag- und Versagensverhalten der Verbindung mit Hilfe von LWF-KS-2-Proben untersucht sowie numerische Simulationen durchgeführt, um Ursachen für auftretende Phänomene aufzuklären. Zur Ergänzung der experimentellen Datenbasis wurden numerische Prozesssimulationen für weitere Ausprägungen der untersuchten Fertigungseinflüsse durchgeführt, anhand derer Tragfähigkeitssimulationen in Form von Detailmodellen erstellt werden konnten. Auf Basis dieser Untersuchungen wurden funktionale Zusammenhänge für die Ausprägung der einzelnen Fertigungseinflüsse und deren Auswirkungen auf das Trag- und Versagensverhalten der Verbindung abgeleitet. Diese funktionalen Zusammenhänge wurden dazu genutzt, die Auswirkungen der einzelnen Fertigungseinflüsse in Form von Abschlagsfaktoren in der Ersatzmodellierung von Fügestellen zu berücksichtigen. Die in diesem Projekt gewonnen Erkenntnisse ermöglichen es Anwendern die Auswirkungen fertigungsbedingter Toleranzen auf das Trag- und Versagensverhalten mechanische gefügter Verbindungen in der Entwicklung von Fahrzeugkomponenten zu berücksichtigen und deren Einflüsse auf das Crashverhalten der Gesamtstruktur zu untersuchen.