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EFB-Forschungsbericht Nr. 371

Numerische und experimentelle Untersuchungen von Blindnietmutter-Schraub-Systemen

efb371

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing.Martin-Christoph Wanner, Dipl.Wirt-Ing. Normen Fuchs, M.Sc. Thomas Nehls, Fraunhofer Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik, Rostock

124 Seiten (sw, 83 teils farbige Abb., 30 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-413-1

Preis (Digital) EUR 56,20

Preis (Print) EUR 70,00

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung neuer Fügetechnologien muss neben der experimentellen Betrachtung ebenfalls die numerische Simulation einbezogen werden. Durch die Variation der Simulationsmodelle ist es möglich, ohne größeren Aufwand in Fertigung und Experimenten erste Abschätzungen über das Verhalten des Verbindungselements treffen zu können. Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Bestimmung erster Tragverhaltenseigenschaften und der Optimierung des Blindnietmutter-Schraub-Systems. Weiterhin sollte ein Konzept erarbeitet werden, auf dessen Grundlage die Realisierung einer mechanischen Fügeverbindung bewertet werden kann.

Nach der Ausarbeitung der Unterschiede zu Verfahren, die äquivalente Fügeaufgaben haben, konnte ein Vergleich mit Hilfe des Bewertungssystems klare Vorteile des Blindnietmutter-Schraub-Systems herausstellen. Auf Basis dieses Vergleichs wurden die weiteren Untersuchungen durchgeführt, um das in Entwicklung befindliche System weiter zu optimieren. Hierzu wurden zunächst experimentelle Untersuchungen durchgeführt um charakteristische Eigenschaften des Systems wie Materialkennwerte oder Reibkoeffizienten festzulegen und Vergleichsmöglichkeiten in Form von Schliffbildern zu schaffen. Diese Eigenschaften flossen in die numerischen Simulationen und somit in den eigentlichen Optimierungsprozess ein.

Durch die Abbildung zweier geometrisch verschiedener Ansätze des Blindnietmutter-Schraub-Systems in mehreren numerischen Simulationen, konnten die Umformverhältnisse der Experimente gut abgebildet werden. Bei diesen Simulationen konnten kritische Bereiche des Systems herausgestellt werden. Vorteile gegenüber einer konventionellen BNM. So können bis zu 12% höhere Lasten ertragen werden, die zu keinem totalen Versagen der Verbindung führen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Numerische und experimentelle Untersuchungen von Blindnietmutter-Schraub-Systemen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16727BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 371 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The development of new joining technologies is bound to numerical simulations in addition to experimental investigations. Variations of the simulation allow initial assessments of the behavior of the fastener without effort in manufacturing and experiment. The aim of the research was to determine the first load-bearing performance and the optimization of the blind rivet nut-screw system. Furthermore, a concept should be developed providing a method to evaluate mechanical joints.

On the basis of this new concept a comparison of the blind rivet nut-screw system to equal joining technologies was made. It turned out that the blind rivet nut-screw system has got clear advantages. Based on this comparison, further studies have been carried out to optimize the evolving system. On the one hand, first experimental studies have been made to determine characteristics of the system such as material properties or friction coefficient. On the other hand, cross-sectional images have been made to evaluate the simulation.

Due to the illustration of two geometrically different approaches of the blind rivet nut-screw system in several numerical simulations, the conditions of the deformation in experiments are well reproduced. In these simulations critical areas are highlighted. By geometry variation the plastic strains of the system in certain areas has been reduced by more than 20%.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungen
1    Einleitung
2    Zielstellung des Forschungsvorhabens
3    Stand der Technik
3.1    Gewindebereitstellung mittels Blindniettechnik
3.1.1    Aufbau der Funktionselemente
3.1.2    Funktionsweise
3.2    Vergleich der Verfahren
4    Wirtschaftlichkeitsanalyse
4.1    Kennwertsystementwicklung
4.1.1    Bereits vorhandene Bewertungsverfahren
4.1.2    Beurteilung der vorgestellten Methoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Bewertung von Fügeverfahren
4.1.3    Relevante Kennwerte für die Betrachtung der Blindnietmutter und des Blindnietmutterschraubsystems
4.1.4    Ableitung Kennwertsystem
4.2    Anwendung des entwickelten Systems am Blindnietmutter-und Blindnietmutter-Schraub-System
4.2.1    Bewertung beider Fügeverfahren nach dem entwickelten Prinzip
4.2.2    Alternativenauswahl
4.3    Fazit
5    Experimentelle Untersuchungen
5.1    Fließkurvenermittlung
5.1.1    Versuchsübersicht und Versuchsdurchführung
5.1.2    Extrapolationsansätze
5.1.3    Dehnratenabhängigkeit
5.2    Ermittlung Reibbeiwerte und Drehmomente
5.2.1    Prüfstand Reibbeiwertermittlung
5.2.2    Versuchsübersicht
5.2.3    Ergebnisse
5.2.4    Fazit
5.3    Setzversuche konventionelle Blindnietmutter
5.3.1    Versuchsübersicht
5.3.2    Ergebnisse
5.4    Tragverhaltenseigenschaften
6    Numerische Simulationen
6.1    LS-Dyna
6.1.1    Modellvarianten und Diskretisierung
6.1.2    Materialmodelle
6.2    2D-Simulationen
6.2.1    Randbedingungen
6.2.2    Vergleich mit experimentellen Daten
6.3    3D-Simulationen
6.3.1    Randbedingungen
6.3.2    Ergebnisse
6.3.3    Vergleich mit Schliffbildern
6.3.4    Variation BMS-System
7    Ergebnisse
8    Literaturverzeichnis
9    Anhang
9.1    Extrapolationsansätze
9.2    Ergebnisse Reibbeiwertermittlung
9.3    Ergebnisse 2D-Simulationen