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EFB-Forschungsbericht Nr. 453

Einfluss der Mittelspannung auf die Schwingfestigkeit hybrid gefügter Verbindungen

efb453

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Wirt.-Ing. Frederik Bröckling, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

104 Seiten (sw, 75 teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-502-2

Preis (Digital) EUR 55,75

Preis (Print) EUR 70,00

Zusammenfassung

Im Fahrzeugbau werden gefügte Bauteile im Betrieb in der Regel einer periodisch wiederkehrenden Last in Kombination mit einer statischen Last ausgesetzt. Dabei genügt im Sinne der Auslegung nicht die getrennte Betrachtung der statischen Festigkeit und der Schwingfestigkeit. Der allgemeine Zusammenhang zwischen der statischen Mittellast und der ertragbarenLastamplitude kann zum Beispiel durch ein Haigh-Diagramm angegeben werden.

Bei Verbindungen ist jedoch nicht allein das Werkstoffverhalten bei unterschiedlichen Mittelspannungen auf die Festigkeit von Verbindungen unter entsprechender Belastung übertragbar. Die Art des Schlusses (Kraft-, Form- oder Stoffschluss), das Werkstoffverhalten und die vorliegenden Eigenspannungen bestimmen vielmehr die Eigenschaften des Verbundes.

In der Vergangenheit wurden bereits verschiedene Forschungsprojekte zur Schwingfestigkeit von mechanisch gefügten Verbindungen/Bauteilen durchgeführt. Hierbei wurden jedoch ausschließlich Werte für die zyklische Festigkeit im Zugschwellbereich (R = 0,1) ermittelt [bspw. HH08, HKJ99, HMC03, HTT+02, Meh04].

Die Berücksichtigung einer Zug-Druck-Belastung (R = -1) sowie der Festigkeit bei erhöhter statischer Mittellast (z.B. R = 0,5) ist im Sinne einer Auslegung mit Berücksichtigung der Mittelspannungsempfindlichkeit von Verbindungen von großem Interesse, da in der Praxis aus verschiedenen Gründen unterschiedliche Verhältnisse von statischer zu zyklischer Last vorliegen.

Zu dieser Thematik liegen jedoch nur wenige Daten z.B. von Widerstandspunktschweißverbindungen oder elementar mechanisch gefügten Verbindungen vor [NDW03, SWE03, HBS09, MB13]. Die Mittelspannung ist als ein wichtiger Einflussfaktor bei der Auslegung von hybrid gefügten Bauteilen einzuschätzen, für welche in der Literatur keine ausreichende Datenbasis zu finden ist.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde die Mittelspannungsempfindlichkeit hybrid gefügter Verbindungen im Hinblick auf die konstruktive Auslegung charakterisiert. Bestandteil dieses Vorhabens war die Bestimmung der Mittelspannungsempfindlichkeit für Halbhohlstanznietkleben und Blindnietkleben. Die Ergebnisse wurden den Werten der Grundwerkstoffe und mechanisch gefügter Verbindungen gegenübergestellt und systematisch Zusammenhänge ermittelt.

Ebenso wurden unterschiedliche Ansätze zur funktionalen Beschreibung des Zusammenhangs von statischer Mittelspannung und zyklischer Spannungsamplitude verwendet und auf ihre Anwendbarkeit bei hybrid gefügten Verbindungen überprüft.

Hierbei wurde kein Zusammenhang zwischen dem mittelspannungsabhängigen Schwingfestigkeitsverhalten des Grundwerkstoffs und der hybriden Fügeverbindung ermittelt. Abschließend wurden Hinweise zur Konstruktion und Auslegung zyklisch belasteter, hybrid gefügter Verbindungen gegeben.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Einfluss der Mittelspannung auf die Schwingfestigkeit hybrid gefügter Verbindungen" wurde unter der Fördernummer AiF 18113N 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. 453 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Influence of mean stress on fatigue strength of hybrid joint connections

In the vehicle construction joined components when they are used are exposed as a general rule to a periodic recurrent load in combination with a static load. In the sense of interpretation, the separate consideration of the static strength and the fatigue strength is not adequate. The general correlation between the static mean load and the sustainable load amplitude can be stated for example in a Haigh-diagram. In particular, the behaviors of the material of connections with various mean stresses are not transferable to the strength of connections under corresponding load. The different type of fits (form-fit, force fit, material closure), the behavior of the material and the existing residual stresses determine the strength of the composite.

Through trials in the past, it has been recognized that different research projects fatigue the strength of mechanical joined connections/components. In these trials, exclusive values were determined for the pulsating range (R = 0,1) [e.g. HH08, HKJ99, HMC03, HTT+02, Meh04]. With the consideration of the compressive and the tensile load (R = -1) as well as the strength with increased static mean load (e.g. R = 0,5), it is in the sense of interpretation under the consideration of mean stress susceptibility from connections of high interests. In practice, due to various reasons there exist different conditions of static to cyclic load. With this there is only little data available for example resistance spot welding connections or mechanical riveted joints. [NDW03, SWE03, HBS+09, MB13]. The mean stress has to rate high as an important factor of influence at the design of the hybrid joined connections, for which there is no adequate data available in literature.

This research project is characterized by the mean stress susceptibility of hybrid joined connections with a focus on structural design. The determination of the mean stress susceptibility for self-piercing rivet and blind rivet connections in combination with bonding and the analysis on the impact of fitting-types are also part of the project. The results in the following were compared to the values of the basic materials and coherences were methodically determined.

In addition, different techniques were used to determine the functional description of coherences from static mean stress and cyclic stress amplitude and were checked on their applicability with hybrid joined connections. With these tests there was no coherence between mean stress addicted fatigue strength behavior of the basic material and the bonding techniques determined. However it could indicate the construction and interpretation from cyclic loaded hybrid joined connections.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Zielsetzung
3 Stand der Technik
3.1 Schwingfestigkeit von Verbindungen
3.2 Einfluss der Mittelspannung auf Werkstoffe und Verbindungen
3.3 Auslegungsverfahren
3.3.1 Eurocode
3.3.2 FKM-Richtlinie
4 Versuchswerkstoffe und -einrichtungen
4.1 Fügeteilwerkstoffe
4.1.1 DX51D+Z
4.1.2 HX340LA
4.1.3 EN AW-6181 T6
4.2 Fügeverfahren
4.2.1 Klebprozess beim Hybridfügen
4.2.2 Referenzuntersuchungen zum elementaren Kleben
4.2.3 Halbhohlstanznietkleben
4.2.4 Blindnietkleben
4.2.5 Referenzuntersuchungen zum elementaren mechanischen Fügen
4.3 Verwendete Probengeometrien
4.3.1 Flachschulterprobe
4.3.2 LWF-KS-2-Probe
4.4 Prüfeinrichtungen
4.4.1 Quasistatisch-zügige Untersuchungen
4.4.2 Schwingfestigkeitsuntersuchungen
5 Versuchsergebnisse
5.1 Versuche unter quasistatisch-zügiger Beanspruchung
5.1.1 Quasistatisch-zügige Versuche an Flachschulterproben der Versuchswerkstoffe
5.1.2 Quasistatisch-zügige Versuche an artgleich gefügten Proben aus DX51D+Z
5.1.3 Quasistatisch-zügige Versuche an artgleich gefügten Proben aus HX340LA
5.1.4 Quasistatisch-zügige Versuche an artgleich gefügten Proben aus EN AW 6181 T6
5.2 Versuche unter zyklischer Beanspruchung
5.2.1 Zyklische Versuche an Flachschulterproben
5.2.2 Zyklische Versuche an gefügten LWF-KS-2-Proben
5.3 Vergleich und Diskussion der Versuchsergebnisse
6 Darstellung des Mittelspannungseinflusses
6.1 Haigh-Diagramme zu den Versuchsergebnissen
6.1.1 Haigh-Diagramme zu den Versuchswerkstoffen
6.1.2 Haigh-Diagramme zu gefügten Proben aus DX51D+Z
6.1.3 Haigh-Diagramme zu gefügten Proben aus HX340LA
6.1.4 Haigh-Diagramme zu gefügten Proben aus EN AW-6181 T6
6.2 Vergleich und Diskussion der Ergebnisse
7 Ergebnisse der numerischen Simulation
8 Konstruktionshinweise
9 Beispielrechnung
10 Ergebnisse
11 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literaturverzeichnis
Normen und Richtlinien