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EFB-Forschungsbericht Nr. 193

Entwicklung einer Berechnungsmethode für die Auslegung stanzgenieteter Aluminiumteile

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Azzedine Chergui, Dipl.-Ing. Nima Mehrdadi, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Monika Timm, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

158 Seiten (sw 133, 32 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-149-9

Preis (Digital) EUR 75,00

Preis (Print) EUR 84,50

Zusammenfassung

Insbesondere die Automobilhersteller werden durch die steigenden Forderungen zur Verringerung des Schadstoffausstoßes und der Möglichkeit des Recyclings der verwendeten Werkstoffe von Verkehrsmitteln veranlasst, durch Leichtbau Einsparungen im Gewicht zu erreichen, wodurch wiederum der Kraftstoffverbrauch und damit der Schadstoffausstoß verringert werden kann. Der Einsatz leichter Werkstoffe und Werkstoffkombinationen aber bedingt die Verwendung neuer innovativer Fügetechniken, da die bisher als Standard verwendeten Fügetechniken wie beispielsweise das Punktschweißen sich nur eingeschränkt verwenden lassen. Eine geeignete innovative Fügetechnik ist das Stanznieten mit Halbhohlniet, welche sich in vielen Bereichen der Blechverarbeitung mehr und mehr etabliert.

Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, durch ein zu entwickelndes Ersatzmodell der Stanznietverbindung eine Möglichkeit zur Berechnung von stanzgenieteten Aluminiumbauteilen zu schaffen. Mittels experimenteller und numerischer Untersuchungen an KS2-Proben konnten durch verschiedene Parametervariationen wie die Veränderung des Belastungswinkels, der Blechdicke, der Fügerichtung, der Probenbreite und der Probenform die Einflüsse auf die Verbindungsfestigkeit und Lebensdauer berücksichtigt werden, so dass das Auslegungsverfahren auf komplexe Bauteile übertragbar ist.

Anhand der Projektergebnisse wird eine Handlungsanweisung gegeben, wie eine Auslegungsmethode mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden kann. Die im Rahmen dieses Projektes vorgestellte Methode zur Simulation des mechanischen Verhaltens der Stanznietverbindung ermöglicht die rechnerische Bestimmung der Fügelementsteifigkeit sowie eine Vorhersage der Lebensdauer, somit wird die Möglichkeit gegeben, Stanzniete nach Anzahl und Ort optimal einzusetzen und somit das Potential dieser Fügetechnologie voll auszuschöpfen.

Durch diese rechnergestützte Konstruktion und Optimierung von stanzgenieteten Strukturen sind deswegen zeitliche und finanzielle Einsparungen bei der Produktentwicklung zu erwarten. Des weiteren sind die Projektergebnisse insbesondere für kleine und mittlere Betriebe im Bereich der Automobilzulieferindustrie von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, da diese mit den Ergebnissen Innovationen realisieren können, die einen Beitrag zum Leichtbau leisten.

Das Forschungsvorhaben „Entwicklung einer Berechnungsmethode für die Auslegung stanzgenieteter Aluminiumteile“ wurde unter der Fördernummer AiF 12205BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 193 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Abkürzungen Und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Zielsetzung und Vorgehensweise
3 Stand der Erkenntnisse
3.1 Aluminium für den Leichtbau
3.2 Einordnung und Entwicklung des Stanznietens
3.3 Stanznieteinrichtungen
3.4 Konzepte zur Auslegung von Verbindungen in Feinblechstrukturen
3.5 FE-Ersatzmodelle für punktförmige Verbindungen
4 Versuchsprogramm und Prüfbedingungen
4.1 Ziel der Experimentellen Untersuchungen
4.2 Verwendete Probenformen
4.3 Quasistatische Versuche
4.4 Einstufendauerschwingversuche
4.5 Versuchsplan
4.6 Identifizierung der von den Blechherstellern zur Verfügung gestellten Fügeteilwerkstoffe
4.6.1 Aluminiumlegierung AlMg0.4Si1.2
4.6.2 Aluminiumlegierung AlMg5Mn
4.7 Prozeßparameteroptimierung für das Stanznieten mit Halbhohlniet
5 Untersuchungen zur Analyse von axialen Blechverspannung und Kraft- und Formschlussanteil der Stanznitverbindung
6 Ergebnisse der experimentellen quasistatischen Tragfähigkeitsuntersuchungen
6.1 Einfluß des Belastungswinkels auf die Verbindungsfestigkeit der KS2-Proben
6.2 Einfluß der Probengeometrie Anhand der Grundkombination
6.2.1 Schälzugversuch (KS2-Schälzugprobe, Standard-Schälzugprobe)
6.2.2 Scherzugversuch (KS2-Scherzugprobe, Standard-Scherzugprobe)
6.3 Einfluss der Fügerichtung
6.4 Einfluss der matrizenseitigen Blechdickenvariation
6.4.1 Scherzugbelastung mit Variation der matrizenseitigen Fügeteildicke
6.4.2 Kopfzugbelastung mit Variation der matrizenseitigen Fügeteildicke
6.5 Einfluß des Fügesystems
7 Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche
7.1 Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter verschiedenen Einflüssen mit Versagensanalyse
7.2 Einfluss des Belastungswinkels
7.3 Einfluss der Blechdicke
7.4 Einfluss der Fügerichtung
7.5 Einfluss der Probenbreite
7.6 Einfluss des Fügesystems
7.7 Einfluss Der Probenform
7.8 Zusammenfassung Der Experimentellen Ergebnisse
8 Rechnerische Beanspruchungsermittlung mittels FEM
8.1 Einleitung in die Finite-Elemente-Methode (FEM)
8.2 Verwendete Hard- und Software
8.3 Aufbau der FE-Modelle zur Nachbildung der untersuchten Probenformen
8.4 Untersuchung Verschiedener Ansätze Zur Erstellung Eines Geeigneten Ersatzmodells des Stanznietes
8.4.1 Besonderheiten bei der Modellierung von punktförmigen Verbindungen
8.4.2 Aufbau eines Ersatzmodells mittels Starrer Balken- /Schalenelemente
8.4.3 Aufbau eines Ersatzmodells mittels Schalen- / Schalenelementen
8.4.4 Vergleich und Auswahl eines geeigneten Ersatzmodells anhand von Steifigkeits-, Verformungs- und Spannungswählerlinienberechnungen
8.5 Bewertung der lokalen Beanspruchungen
8.6 Korrelation der experimentellen und berechneten Ergebnisse und Ableitung der lokalen Spannungswählerlinien
8.6.1 Vorgehensweise zur Ableitung der Spannungswählerlinien
8.6.2 Vergleich der Spannungswählerlinien der KS2-Proben unter Einfluss von Parametervariationen
8.6.2.1 Einfluss des Belastungswinkels
8.6.2.2 Einfluss der Blechdicke
8.6.2.3 Einfluss der Fügerichtung
8.6.2.4 Einfluss der Probenbreite
8.6.2.5 Einfluss der Probenform
8.6.3 Vergleich verschiedener Kriterien zur Definition von Relevanten Auslegungsgrößen
8.7 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
9 Datenbank für die Speicherung der Untersuchungsergebnisse
10 Praktische Umsetzung der Auslegungsmethode
11 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
ANHANG A
ANHANG B:
ANHANG C