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EFB-Forschungsbericht Nr. 429

Betriebsfestigkeit stanzgenieteter Bauteile

efb429

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Prof. Dr. Ortwin Hahn, M. Eng. Stephan Horstmann, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts, Dipl.-Ing. Mario Sander, Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der Technischen Universität Clausthal

196 Seiten (sw, 192 teils farbige Abb., 24 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-476-6

Preis (Digital) EUR 77,33

Preis (Print) EUR 97,00

Zusammenfassung

Hybridstrukturen aus Aluminium- und Stahlblechen, wie sie bei modernen Leichtbaukonstruktionen immer häufiger vorkommen, sind oft ein guter Kompromiss zwischen Festigkeit und Gewicht. Das in der Blechverarbeitung häufig eingesetzte Widerstandspunktschweißen führt bei der Verbindung von artverschiedenen Werkstoffen jedoch häufig nicht zu der gewünschten Verbindungsqualität. In solchen Fällen kann das mechanische Fügen mittels Halbhohlstanzniet eine sehr gute Alternative darstellen.

Das Bestreben, Produktentwicklungen in kürzeren Zeiträumen erfolgreich abschließen zu können, führt zu dem industriellen Bedarf, im Stadium der Produktkonzeption eine möglichst genaue Betriebsfestigkeitsauslegung der mittels Halbhohlstanznieten gefügten Strukturen vornehmen zu können. Deshalb war das Ziel des Vorhabens ein vereinfachtes Modell zu entwickeln, mit dem eine simulative Betriebsfestigkeitsabschätzung auch für größere Strukturen möglich wird.

Im Rahmen des Projektes wurden zunächst die erforderlichen Werkstoffkennwerte an Substanzproben bestimmt. Versuche an Einelementproben dienten der erforderlichen Parameteridentifikation und der Verifikation der Modelle. Diese Ergebnisse bildeten die Basis für die Validierung an bauteilähnlichen Proben.

Durch die ermittelten Parameter konnten Detailmodelle und vereinfachte Modelle der Proben erstellt werden. In den Detailmodellen wurde die Prozesskette vom Fügeprozess über die quasistatische Belastung bis hin zur zyklischen Belastung simulativ abgebildet. Das Potenzial dieser Vorgehensweise wurde aufgezeigt. Anschließend wurden die vereinfachten Modelle genutzt, um die Lebensdauer der bauteilähnlichen Proben abzuschätzen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Betriebsfestigkeit stanzgenieteter Bauteile" wurde unter der Fördernummer AiF 17571N 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. 429 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Hybrid structures made of aluminum and steel sheets, as they are becoming more common in modern lightweight construction, are often a good compromise between strength and weight. However, the resistance spot welding is often used in metal processing often does not lead to the desired link quality in the connection of different types of materials. In such cases, mechanical joining by means of semi-tubular self piercing riveting constitutes a very good alternative.

The desire to complete successful product developments in shorter periods of time, leads to the industrial demand to provide an exact interpretation of the fatigue strength joined by semi-tubular self piercing riveting structures at the stage of product design. Therefore, the aim of the project was to develop a simplified model with which a simulative fatigue assessment for larger structures would be possible.

Within the project the necessary material characteristics were first determined on substance specimen. Experiments on specimen joints with one semi-tubular rivet served the required parameter identification and verification of the models. These results formed the basis for the validation of component-like specimen.

Through the determined parameters detailed models and simplified models of the samples could be created. In the detailed models the process chain from the joining process on the quasi-static load up to the cyclic loading was shown by simulation. The potential of this approach was demonstrated. Subsequently, the simplified models were used to estimate the lifetime of the component-like samples.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Verzeichnisse
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung und Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Statische Festigkeit
2.2 Schwingfestigkeit
2.2.1 Definition und Grundlagen
2.2.2 Mittelspannungsempfindlichkeit
2.2.3 Eigenspannungen
2.2.4 Dauerfestigkeit
2.2.5 Dehnungsgeregelte Versuche
2.3 Betriebsfestigkeit
2.4 Halbhohlstanznieten
3 Stand der Technik Fügeteile, Verbindungen, Prüfeinrichtungen
3.1 Fügeteilwerkstoffe
3.1.1 EN AW-6181A
3.1.2 HX340LAD+Z100
3.2 Verbindungen
3.2.1 Werkstoffkombinationen
3.2.2 Fügeeinrichtungen
3.2.3 Verwendete Hilfsfügeteile
3.2.4 Verwendete Matrizen
3.2.5 Fügeelementausprägung
3.3 Prüfeinrichtungen
3.3.1 Universalprüfmaschine Zwick 100
3.3.2 Optische Wegmessung mittels Grauwertkorrelation
3.3.3 Resonanzprüfmaschine Typ Rumul
3.3.4 MTS Linearzylinder
3.3.5 Linearzylinder (Typ Inova AH25-100M)
3.3.6 Unwuchterregter Resonanzprüfstand der Firma Schenck
3.3.7 Unwuchterregter Resonanzprüfstand der Firma SincoTec (Typ SYSMOT NewLine
3.3.8 Doppeltwirkender Linearzylinder (Typ Inova AH100)
4 Werkstoffkennwerte
4.1 Quasistatische Kennwerte
4.1.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten
4.1.2 Grenzformänderungsdiagramm
4.2 Zyklische Kennwerte
4.2.1 Zeitfestigkeitsversuche an Blechproben
4.2.2 Dauerfestigkeitsversuche an Blechproben
4.2.3 Mittelspannungseinfluss
4.2.4 Dehnungsgeregelte Versuche
5 Technologische Proben
5.1 Verwendete Probenformen
5.2 Quasistatische Versuche
5.2.1 Versuchsmatrix
5.2.2 Versuchsdurchführung und Auswertung
5.2.3 Trag- und Versagensverhalten
5.3 Zyklische Versuche
5.3.1 Wöhlerversuche
5.3.2 Gaßnerversuche
6 Bauteilähnliche Proben
6.1 Verwendete Probenformen
6.2 Zyklische Versuche
6.2.1 Wöhlerversuche an H-Proben
6.2.2 Gaßnerversuche an H-Proben
7 Simulationen
7.1 Setzprozesssimulation mit Detailmodell
7.1.1 Verwendete Software
7.1.2 Modellbildung
7.1.3 Ergebnisse
7.2 Konzepte zur Lebensdauerabschätzung
7.2.1 Lokales Konzept
7.2.2 Parameter Berechnungsvarianten
7.2.3 Ergebnisse
7.2.4 Globales Konzept
8 Ergebnisse
9 Literaturverzeichnis
9.1 Patent- sowie Offenlegungsschiften und Normen
10 Anhänge
10.1 Wöhlerversuche an LWF-KS2-Proben
10.2 Gaßnerversuche an LWF-KS2-Proben
10.3 Versuchsergebnisse zu den Grenzformänderungskurven
10.4 Versuchsergebnisse zu den Zeit- und Dauerfestigkeitsermittlungen an Blechproben
10.5 Versuchsergebnisse zu den dehnungsgeregelten Versuchen
10.6 Versuchsergebnisse zu den Wöhlerversuchen an H-Proben
10.7 Versuchsergebnisse zu den Gaßnerversuche an H-Proben
11 Einschätzung des Nutzens für KMU
11.1 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen Anwendungsmöglichkeiten