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EFB-Forschungsbericht Nr. 527

Methodenentwicklung zur Schädigungsmodellierung für die numerische Prozesssimulation mechanischer Fügeverfahren

efb527

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Mortaza Otroshi, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

182 Seiten (sw, 162 teils farbige Abb., 18 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-582-4

Preis (Digital) EUR 82,43

Preis (Print) EUR 103,04

Zusammenfassung

Der Karosseriebau ist zunehmend durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe in Mischbauweise gekennzeichnet, was zu einem Einsatz von mechanischen Fügeverfahren geführt hat. Hieraus resultieren die Zielsetzungen, die mechanischen Fügeverfahren in ihrer Effizienz und ihren Einsatzbereichen zu erweitern, sowie die Anzahl der Experimente zu reduzieren und Entwicklungszyklen zu verkürzen. Dies erfolgt mit Unterstützung der numerischen Simulation. Neben der Beschreibung des plastischen Verhaltens gilt es auch, das Schädigungsverhalten abzubilden.

Der Fügeprozess bzw. die Fügerichtung erfolgt senkrecht zur Blechoberfläche und führt somit zu einem dreidimensionalen Zustand der Fügelemente. Hieraus leitet sich die Herausforderung ab, das Werkstoffversagen in Abhängigkeit der Beanspruchungssituation zu beschreiben. Ein einfacher Ansatz zur Abbildung des Durchdringens ist ein geometrisches Trennkriterium.

Ein solches Kriterium basiert i.d.R. auf einem experimentell beobachteten Verhalten und ist somit nicht prognosefähig für Variationen bzgl. Werkzeugkonfigurationen, Blechdicken- und Werkstoffgüten-Kombinationen. In diesem Projekt wird das Schädigungsmodell GISSMO (Generalized Incremental Stress State dependent damage Model) verwendet, um die Entwicklung der duktilen Schädigung zu beschreiben und den Bruchbeginn während des Stanzniet- und Schneidclinchens vorherzusagen.

Der Spannungszustand während der Prozesssimulation wird untersucht und die verschiedenen Schädigungsproben werden experimentell erprobt, um die Versagenskurven zu charakterisieren. Die Versagenskurven werden im Schädigungsmodell GISSMO definiert. Um die Genauigkeit des Modells zu gewährleisten, wird die Verifizierung des Modells durch die Simulation von Schädigungsproben mit dem Schädigungsmodell durchgeführt.

Zur Validierung des Modells wird die Simulation des Fügeprozesses mit dem Schädigungsmodell durchgeführt und die Ergebnisse von Simulation und Experiment verglichen. Darüber hinaus werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um die Einflüsse der Fertigungsprozesse, der Lackierung und des Diskretisierungsgrades auf das Schädigungsverhalten des Materials zu identifizieren.

Das IGF-Vorhaben „Methodenentwicklung zur Schädigungsmodellierung für die numerische Prozesssimulation mechanischer Fügeverfahren" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19452N 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. 527 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The body construction is increasingly characterized by the use of different materials in multi-material-design, which has led to the application of a variety of mechanical joining processes. To enhance the mechanical joining processes in their efficiency, numerical simulation can be used as an effective tool to reduce the number of experiments and shorten the product development cycles. In addition to the description of the plasticity, the damage and the failure behavior of material must also be taken into account.

In self-pierce riveting simulations, the rivet penetrates perpendicular into the sheet surface and produces a three-dimensional stress state. Hence, it is essential to describe the material failure as a function of a three-dimensional stress state.

A simple approach to describe the separation of upper sheet in the simulation of the joining process is based on a geometric separation criterion. Such a criterion is not predictive und cannot be used in case of variations in tool configurations, sheet thickness, and material combinations.

In this project, the damage model GISSMO (Generalized Incremental Stress State dependent damage Model) is used to describe the evolution of ductile damage and predict the onset of fracture during the self-piercing riveting and shear-clinching.

The stress state during the process simulation is studied and the variety of damage specimens are experimental examined to characterize the failure curves. The failure curves are defined in the GISSMO damage model. To ensure the accuracy of the model, the verification of the model using simulation of damage specimens with damage model is performed.

For the validation of model, the simulation of the joining process using the damage model is carried out and the results of simulation and experiment are compared. Furthermore, sensitivity analyses are performed to identify the influences of manufacturing processes, the evaluation method, and the degree of discretization on the damage behavior of material.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung und Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Leichtbau
2.2 Mechanische Fügetechnik
2.2.1 Schneidclinchen
2.2.2 Halbhohlstanznieten
2.3 Grundlagen der numerischen Berechnung
2.3.1 Implizite Zeitintegration nach dem Newmark-ß-Verfahren
2.3.2 Ablauf einer FEM-Analyse
2.3.3 Schädigungs- und Versagensmodellierung
2.3.4 Berücksichtigung von Schädigung und Versagen in der Prozesssimulation
2.3.5 Reibung und Reibmodellierung
3 Numerische Untersuchungen der Fügeprozesse in LS-Dyna
3.1 Modellaufbau Schneidclinchen
3.2 Modellaufbau Halbhohlstanznieten
3.3 Werkstoffmodellierung
3.3.1 Presshärtbarer Stahl 22MnB5
3.3.2 Mikrolegierter Stahl HX340LAD
3.3.3 Aluminiumwerkstoff EN AW-5182
3.4 Identifikation der Spannungszustände
3.5 Auswahl der Schädigungsparameter
3.5.1 Doppelkerbzugprobe in Anlehnung an ASTM-831
3.5.2 Gekerbte Flachzugprobe
3.5.3 Gekerbte Flachzugprobe mit Nut
3.6 Modellierung der Schädigungsprobengeometrien in der Simulation
3.6.1 Hypermesh
3.6.2 Doppelkerbzugprobe in Anlehnung an ASTM-831
3.6.3 Gekerbte Flachzugprobe
3.6.4 Gekerbte Flachzugprobe mit Nut
3.7 Überprüfung der erzielbaren Spannungszustände der gewählten Schädigungsproben
4 Experimentelle Erprobung der Schädigungsproben
4.1 Probenvorbereitung und -fertigung
4.2 Verwendete Anlagentechnik und Einrichtungen
4.2.1 Zwick Z100
4.2.2 Schnellzerreißmaschine Instron
4.2.3 Quasistatische Untersuchungen
4.2.4 Schlagartige Untersuchungen
5 Parameteridentifikation des Schädigungsmodells
5.1 Implementation der Schädigungsparameter in das GISSMO-Modell
5.2 Identifikation der Schädigungsparameter
5.2.1 EN AW-5182
5.2.2 HX340LAD
5.2.3 22MnB5
5.3 Validierung der Schädigungsparameter
5.3.1 EN AW-5182
5.3.2 HX340LAD
5.3.3 22MnB5
6 Schädigungsmodellierung in der Fügeprozesssimulation
6.1 Schneidclinchen
6.2 Halbhohlstanznieten
7 Analyse des Einflusses der Fertigungsverfahren und Auswertemethodik
7.1 Einfluss von Fertigungsverfahren
7.1.1 Einflusses der Verfahren anhand der Kraft-Weg-Verläufe
7.1.2 Lokalisierung des Versagensortes der Fertigungsverfahren
7.1.3 Überprüfung der vorliegenden Spannungszustände
7.2 Identifikation des Rissentstehungsortes der Auswertungsmethoden
7.2.1 Untersuchung der Lackierungsarten
7.2.2 Untersuchung der optischen Messsysteme
8 Analyse des Einflusses des Diskretisierungsgrades
9 Ergebnisse und Ausblick
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literaturverzeichnis
12 Anhang