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EFB-Forschungsbericht Nr. 418

Simulation des Halbhohl-Stanznietprozesses von FVK durch mehrskalige Modellierung

efb418

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl.-Wirt.-Ing. Normen Fuchs, M.Sc. Robert Staschko, Dipl.-Ing. Michael Machens, Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock – Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ulbricht, Dr.-Ing. Markus Kästner, Dipl.-Ing. Sebastian Müller, Institut für Festkörpermechanik, Technische Universität Dresden

134 Seiten (sw, 105 teils farbige Abb., 12 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-464-3

Preis (Digital) EUR 62,04

Preis (Print) EUR 77,00

Zusammenfassung

Das Transport- und Energiewesen ist durch voranschreitende Klimaschutzregularien angehalten, neue Konzepte zur Reduktion von Treibhausgasen zu entwickeln. Leichtbauwerkstoffe aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sind speziell im Transportwesen eine Variante, um einen signifikanten Beitrag zur Gewichtsreduzierung und damit zur Effizienzerhöhung zu leisten. Aus diesem Grund ist die Bedeutung hybrider Bauteilstrukturen aus metallischen und FKV-Werkstoffen in den vergangenen Jahren signifikant gestiegen. Einige herkömmliche Fügeverfahren des Automobilbaus sind beim hybriden Leichtbau nur bedingt einsetzbar, andere erfordern eine eingehende Untersuchung der wirkenden Mechanismen.

Das Halbhohlstanznieten ist ein vorlochfreies mechanisches Fügeverfahren, welches durch seine hohe Reproduzierbarkeit und ausgereifte Prozessüberwachung auch bei unterschiedlichen Materialkombinationen erfolgreich eingesetzt werden kann. Die korrekte Einstellung der Fügeparameter in Abhängigkeit von den Fügepartnern ist dabei essentiell für eine qualitativ hochwertige Verbindung. Das nichtlineare, richtungsabhängige Materialverhalten von FKV sowie die komplexen Schädigungsphänomene stellen hierbei eine besondere Herausforderung dar.
Zielstellung des Forschungsvorhabens ist daher die experimentelle Untersuchung, Charakterisierung und numerische Modellierung der Fügepartner und des Fügeprozesses.

Die Ergebnisse ermöglichen einen Einblick in die mechanischen Prozesse innerhalb der Fügezone und deren Auswirkung auf die Fügeverbindung. Im Rahmen der Projektlaufzeit erfolgte eine systematische Charakterisierung einer ausgewählten Werkstoff-Fügeteilkombination. Um den Einfluss des Deformations- und Versagensverhaltens des FKV auf den Setzprozess erfassen zu können, war ein vertieftes Verständnis für das mechanische Werkstoffverhalten erforderlich. Aus diesem Grund erfolgte eine getrennte experimentelle und numerische Untersuchung der wirkenden Mechanismen im FKV. Die ermittelten Daten bildeten die Basis für die numerische Modellierung der Fügewerkstoffe. Mit Hilfe der Integration der formulierten Materialmodelle in eine Setzprozesssimulation wird die Analyse der Fügbarkeit, der Fügequalität und der induzierten Schädigung im FKV ermöglicht.

Ergebnis des Forschungsvorhabens ist ein numerisches Simulationsmodell in ABAQUS, welches auf Basis eines Mehrskalenansatzes die Vorhersage der effektiven orthotropen Materialeigenschaften durch wenige experimentelle Untersuchungen an den Verbundbestandteilen ermöglicht. Das Modell ist zudem in der Lage, Zwischenschichtversagen sowie die Schädigung von Faser und der Matrix zu prognostizieren. Potenzial bei der Abbildung des Setzprozesses und der Fügepunktausbildung besteht im Bereich der Schädigungsmodellierung und Elementlöschung, die im Vergleich zur experimentellen Fügepunktcharakterisierung ersichtlich wurde.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Simulation des Halbhohl-Stanznietprozesses von FVK durch mehrskalige Modellierung“ wurde unter der Fördernummer AiF 17594BR 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 418 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In transport and energy sector, the request to reduce the fuel consumption has led to develop concepts of saving energy. Lightweight materials e.g. carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) allow the transport sector significantly to reduce weight and thus an increase in efficiency results. Therefore, the importance of hybrid structures of metallic and CFRP in recent years has increased. Some conventional joining processes of the automotive industry are of limited use in hybrid lightweight design, others require a detailed study of the acting mechanisms.

The self-piercing rivet (SPR) process is a commonly used mechanical joining technology for multi material design without need of pilot holes. Due to its high reproducibility and sophisticated process control it can be used even with different material combinations. Essentially, to get a high-quality joining the proper setting of the process parameters depending on the materials is necessary. The mechanical properties of fiber polymers strongly depend on the local material structure, the material behavior of the individual constituents and the knowledge about characteristic damage phenomena. Mechanical joining processes such as the self-piercing riveting commonly induce fiber ruptures, matrix cracking and delamination in the joining zone. This local damage has a great impact on the joinability of the material and the quality of the joint.

The aim of the research project is to determine, characterize and numerically model the self-piercing rivet process for a selected material and joining element combination. The results give a general insight into the mechanical processes within the joining zone and its impact on the joint connection. Within the project duration a systematically characterization of the constituents was utilized to obtain appropriate simulation results of the rivet process as well as to assess the influence of damage on the quality of the joint. The two-scale material structure of the composite allows the application of homogenization techniques. Using the integration of the formulated material models in a setting process simulation of the SPR, we allow the analysis of the joinability, the joint quality and the induced damage.

Result of this research is a numerical simulation model in ABAQUS explicit that enables the joining process of a SPR in a hybrid material compilation by a consistent, systematic modeling based on a multi-scale approach to predict the effective orthotropic material properties based on less experimental studies. The model is also able to predict cohesive failure and the damage of the fiber and the matrix. We see potential in predicting the setting process and the joining point in the field of damage modeling and element extinction.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1    Einleitung
2    Stand der Technik
2.1    Halbhohlstanznieten von FKV und daraus resultierende Problemstellungen
2.2    Numerische Simulation von Setzprozesses mit Halbhohlstanzniet
2.3    Deformations- und Versagungsverhalten von FKV
2.4    Mehrskalige Modellierung des Materialverhaltens
3    Zielstellung
3.1    Angestrebte Forschungsergebnisse
3.2    Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
4    Prüfmaschinen und Prüfmittel
4.1    Universalprüfmaschine Zwick Z400E
4.2    C-Bügel-Versuchsaufbau
4.3    TOX®-Maschinenzange
5    Kennwertermittlung und Materialcharakterisierung
5.1    Aluminium EN AW 6060 T66
5.2    Matrixwerkstoff
5.3    Fasern
5.4    Laminat
5.4.1    Laminatherstellung
5.4.2    Zugeigenschaften
5.4.3    Druckfestigkeit
5.4.4    Scherfestigkeit
5.4.5    Energiefreisetzungsrate nach Mode I und Mode II
5.4.6    Fügeelement
6    Experimentelle Einflussanalyse
6.1    Grundlage der Schädigungs- und Delaminationsmechanismen im FKV
6.1.1    Arten der Schädigungen im FKV
6.2    Stanzversuche in FKV
6.2.1    Versuchsmatrix
6.2.2    Stanzversuche am CFK [0/90]8S
6.2.3    Stanzversuche am CFK [0]16
6.2.4    Stanzversuche am GFK [0/90]8S
6.2.5    Fazit
6.3    Schädigungs- und Delaminationsmechanismen beim  HSN-Setzprozess
6.3.1    Versuchsmatrix
6.3.2    Einfluss des FKV-Lagenaufbaus
6.3.3    Einfluss der Nietgeometrie
6.3.4    Einfluss der Niederhalterkraft und der Matrize
6.3.5    Stufensetzprozess
6.3.6    Fazit
7    Modellierung der Stanznietsimulation in metallischen Fügeteilen
7.1    2D-Simulation des Stanznietsetzprozesses
7.2    3D-Simulation des Stanznietsetzprozesses
8    Modellierung der Stanznietsimulation in  FKV-Hybridverbindung
8.1    Modellierung des FKV-Werkstoffs
8.1.1    Orthotrope lineare Viskoelastizität
8.1.2    Schädigungsmodell der UD-Schicht
8.1.3    Kohäsivzonenmodell
8.1.4    Parameteridentifikation des viskoelastischen Modells
8.1.5    Parameteridentifikation des Schädigungsmodells
8.1.6    Parameteridentifikation des Kohäsivzonenmodells
8.2    Setzprozessmodell in Abaqus
9    Modellvalidierung und Ergebnisse
9.1    Fügepunkt- und Schädigungsauswertung
9.2    Auswertung des Setzprozessmodells
9.3    Stufensetzprozess
10    Projektbewertung
11    Literatur
Anhangverzeichnis