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EFB-Forschungsbericht Nr. 515

Modellierungsstrategie zur anwendungsgerechten Simulation stanzender Fügeverfahren bei FVK-Hybridstrukturen

efb515

Verfasser:
M. Sc. Robert Staschko, Dr.-Ing. Normen Fuchs, Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik - Dr.-Ing. Martin Boisly, Dipl.-Ing. Franz Hirsch, Prof. Dr.-Ing. Markus Kästner, Institut für Festkörpermechanik, Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik, Technische Universität Dresden

132 Seiten (sw, 83 teils farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-569-5

Preis (Digital) EUR 77,00

Preis (Print) EUR 87,00

Zusammenfassung

Das mechanische Fügen hybrider Bauteilstrukturen aus metallischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen hat im funktionsgerechten Leichtbau eine zunehmende Bedeutung eingenommen. Für prädiktive Aussagen zu Prozesskräften, der Verbindungsqualität sowie einer qualitativen und quantitativen Beurteilung der ins Laminat eingebrachten Schädigung sind nach heutigem Erkenntnisstand aufwändige experimentelle Versuchsdurchführungen notwendig.

Bei FKV-Werkstoffen steigt dieser Aufwand nochmals erheblich im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen. Aus diesem Grund erfolgte innerhalb des Forschungsvorhabens die Weiterentwicklung des im Vorgängerprojekts (AiF 17594BR) etablierten Halbhohlstanzniet-Prozessmodells innerhalb einer durchgängigen numerischen Modellierungsstrategie zur Simulation dieser Fügevorgänge in FKV-Metallverbindungen.

Die Basis dieser Modellentwicklung stellten standardisierte experimentelle Untersuchungen am FKV-Grundwerkstoff, die systematische Analyse von Stanzvorgängen in FKV sowie Einflussanalysen unter Einbezug experimentell ermittelter setzprozessinduzierter Schädigungen im FKV dar. Somit wurde durch die anwendungsgerechte Optimierung der vollständigen Setzprozesssimulation erstmalig die realitätsgetreue Abbildung stanzender Fügeverfahren in FKV ermöglicht.

Die FKV-Werkstoffparametrisierung, die Schritte zur Optimierung des Stanzprozess sowie die Methodik zur realistischen Abbildung setzprozessinduzierter Schädigungen sind innerhalb dieses Forschungsberichts umfassend dargelegt und bieten dem Anwender die Möglichkeit, diese Methodik auf weitere, dem Anwendungsfall entsprechende, Fügeverfahren zu übertragen. Die Ergebnisse stellen somit eine maßgebliche Weiterentwicklung zur Beurteilung mechanisch gefügter Verbindungen in FKV-Metallstrukturen dar.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Modellierungsstrategie zur anwendungsgerechten Simulation stanzender Fügeverfahren bei FVK-Hybridstrukturen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19188BR 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. 515 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The mechanical joining of hybrid component structures made of metallic materials and fiber-reinforced plastics (FRP) has grown to take an increasingly important role in function-oriented lightweight construction. Based on the current state of development, complex experimental procedures are needed to make predictive statements of the self-piercing riveting (SPR) process, the joint quality as well as a quantitative and qualitative assessment of the damages induced to the laminate.

Concerning FRP the effort to qualify these joints is substantially greater compared to conventional materials. Due to this reason, the established SPR process model within an finite element simulation acquired in the previous project (AiF 17594BR) was further developed in this research project using a continuous numeric modeling strategy for the simulation of joining processes in FRP-metal joints.

The basis for these model developments are standardized experimental studies on base materials of FRPs, the systematic analysis of punching processes in FRPs as well as effect analyses considering experimentally determined damages in the FRPs during the SPR-process. Therefore, through the application-oriented optimization of the complete setting process simulation, a realistic prediction of the SPR process in FRP was made possible for the first time.

The FRP-material parameterization, the steps needed to optimize the prediction as well as the methodology for realistic imaging of damages induced by the setting process are extensively presented in this research report and offer the operator the possibility to apply these methodologies to further application-specific joining processes. Therefore, the results represent a significant development in assessing reliable joints between innovative FRP materials and traditional materials.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Lösungsansatz
1.3 Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Mechanisches Fügen von FKV
2.1.1 Schädigungen im Verbundwerkstoff in Folge von Stanzvorgängen
2.1.2 Schädigungsdetektion und Auswertemethoden
2.1.3 Experimentelle Untersuchungen des Tragverhaltens
2.2 Numerische Simulation von Setzprozessen in FKV und Metall
3 Vorgehensweise
4 Ansätze zur Modellierung und Kennwertermittlung der Verbindungsbestandteile
4.1 Fügeteil 1 - FKV-Werkstoff
4.1.1 Modellierungsansatz
4.1.2 Werkstoffcharakterisierung
4.1.3 Parameteridentifikation – in-plane Eigenschaften
4.2 Fügeteil 2 - Aluminium EN AW-6060 T66
4.2.1 Modellierungsansatz
4.2.2 Werkstoffcharakterisierung
4.3 Fügeelement
4.3.1 Modellierungsansatz
4.3.2 Werkstoffcharakterisierung
4.4 Fazit
5 Vereinfachtes Stanzen von FKV
5.1 Experimentelle Untersuchungen
5.1.1 Versuchskonzept
5.1.2 Versuchsergebnisse – Stanzen mit Halbhohlstanzniet
5.1.3 Versuchsergebnisse – Stanzen mit Vollstanzniet
5.2 Modellbildung und Parameteridentifikation
5.2.1 Kohäsivzonen
5.2.2 Einfluss der Löschzone
5.2.3 Kontakt
5.2.4 Mass-Scaling
5.2.5 Reststeifigkeit
5.2.6 Ergebnisse vereinfachtes Stanzen
6 Fügesetzprozess mit Halbhohlstanzniet
6.1 Experimentelle Fügepunktanalyse und setzprozessinduzierte Schädigungen
6.1.1 Fügepunktbemusterung
6.1.2 Schädigungsquantifizierung
6.2 Prozesssimulation
6.2.1 Modellaufbau
6.2.2 Ergebnisse
7 Experimentelle Untersuchung des Tragverhaltens mit Halbhohlstanzniet-Verbindungen
7.1 Konzeptansatz und Versuchsübersicht
7.2 Tragverhalten - quasistatische Belastung
7.2.1 Versuchskonzept
7.2.2 Versuchsergebnisse
7.3 Tragverhalten - zyklische Belastung
7.3.1 Versuchskonzept
7.3.2 Versuchsergebnisse
7.3.3 Schadensmechanismen
7.4 Fazit
8 Ergebnisse und Ausblick
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
9 Literaturverzeichnis
10 Anhang
10.1 Abnahmeprüfzeugnis Aluminium EN AW-6060 T66
10.2 Tragverhalten bei quasistatischer Kopfzugbelastung
10.2.1 HSN-FRK 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 51 N/mm
10.2.2 HSN-FRK 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 880 N/mm
10.2.3 HSN-SKR 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 51 N/mm
10.2.4 HSN-SKR 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 880 N/mm
10.3 Tragverhalten bei quasistatischer Scherzugbelastung
10.3.1 HSN-FRK 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 51 N/mm
10.3.2 HSN-FRK 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 880 N/mm
10.3.3 HSN-SKR 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 51 N/mm
10.3.4 HSN-SKR 5,3x5 H2 Niederhalterfeder 880 N/mm