Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenentwicklung zur Schädigungsmodellierung für die numerische Prozesssimulation mechanischer Fügeverfahren

Der Karosseriebau ist zunehmend durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe in Mischbauweise gekennzeichnet, welches zur Verwendung einer Vielzahl von mechanischen Fügeverfahren geführt hat. Hieraus resultieren die Zielsetzungen, die mechanischen Fügeverfahren in ihrer Effizienz und ihren Einsatzbereichen zu erweitern, so die Variantenvielfalt zu reduzieren (Cluster-Bildung) sowie Entwicklungszyklen zu verkürzen. Dies erfolgt mit Unterstützung der numerischen Simulation. Dabei setzen durchdringende Verfahren (z.B. Halbhohlstanznieten) ein definiertes Versagen der Fügezone voraus. Ein einfacher Ansatz zur Abbildung des Durchdringens ist ein geometrisches Trennkriterium. Ein solches Kriterium basiert i.d.R. auf ein experimentell beobachtetes Verhalten und ist somit nicht prognosefähig für Variationen bzgl. Werkzeugkonfigurationen, Blechdicken- und Kombinationen sowie Werkstoffgüten. Der Fügeprozess erfolgt senkrecht zur Blechoberfläche und beschreibt somit einen dreidimensionalen Zustand, im Gegensatz zum ebenen Spannungszustand bei der Umform- oder Crashsimulation. Hieraus leitet sich die Herausforderung ab, das Werkstoffversagen in Abhängigkeit der Beanspruchungssituation zu beschreiben, welches das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens darstellt. Zunächst sollen relevante Fügeverfahren und Werkstoffkombinationen nach ihren Spannungszuständen beim Fügeprozess untersucht werden. Dabei soll der dreidimensionale Spannungszustand durch Simulation (z.B. LS-Dyna) identifiziert werden. Mit entsprechenden Werkstoffproben soll das Schädigungsverhalten analysiert und Schädigungsmodelle für die numerische Simulation aufgebaut werden. Die Modelle sollen an der Fügeprozesssimulation validiert und das Vorgehen durch Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit und Sensitivität erprobt werden. Wichtiger Bestandteil ist die Definition einer geeigneten und anwendungsnahen Auswertungsmethodik.

Ergebniszusammenfassung:

Der Fügeprozess erfolgt senkrecht zur Blechoberfläche und beschreibt somit einen dreidimensionalen Zustand. Hieraus leitet sich die Herausforderung ab, das Werkstoffversagen in Abhängigkeit der Beanspruchungssituation zu beschreiben. In Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Schädigungsmodell GISSMO (Generalized Incremental Stress State dependent damage MOdel) verwendet, um die Entwicklung der duktilen Schädigung zu beschreiben und den Bruchbeginn während des Stanzniet- und Schneidclinchens vorherzusagen. Der Spannungszustand während der Prozesssimulation wurde untersucht und die verschiedenen Schädigungsproben wurden experimentell erprobt, um die Versagenskurven zu charakterisieren. Die Versagenskurven wurden im Schädigungsmodell GISSMO definiert. Um die Genauigkeit des Modells zu gewährleisten, wurde die Verifizierung des Modells durch die Simulation von Schädigungsproben mit dem Schädigungsmodell durchgeführt. Zur Validierung des Modells wurde die Simulation des Fügeprozesses mit dem Schädigungsmodell durchgeführt und die Ergebnisse von Simulation und Experiment verglichen. Darüber hinaus wurden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um die Einflüsse der Fertigungsprozesse, der Lackierung und des Diskretisierungsgrades auf das Schädigungsverhalten des Materials zu identifizieren.

Durch die Projektergebnisse wird die numerische Simulation mechanischer Fügetechnik hinsichtlich des Werksstoffverhaltens optimiert und somit prognosefähiger. Ferner wird die Kennwertermittlung standardisiert, sodass weniger personeller Aufwand erforderlich ist. KMUs der Ingenieurs- und Simulationsdienstleister profitieren ebenfalls von den Vorgehensweisen zur Bestimmung der Versagenskennwerte und können diese direkt an Ihre Kunden weitergeben. Ein Nutzen stellt sich außerdem bei den Herstellern von FE-Softwarelösungen sowie Beratungsunternehmen in diesem Bereich ein, die die Ergebnisse zur Erweiterung ihrer Simulationscodes bzw. in Schulungen oder bei Beratungsaufträgen nutzen können.