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EFB-Forschungsbericht Nr. 323

Entwicklung eines Konstruktionssystems für den rechnerischen Festigkeitsnachweis von punktförmig mechanisch gefügten Bauteilen

efb323.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, PD Dr.-Ing. Frank Riedel, Dipl.-Ing. Roman Marx, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Chemnitz

150 Seiten (sw, 48 Abb., 71 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-359-2

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,00

Zusammenfassung

Punktförmig mechanische Fügeverfahren haben sich in der Feinblech verarbeitenden Industrie erfolgreich etabliert und deren Anwendungsfelder erfahren z. Z. eine stetige Erweiterung. Für eine  umfassende Anwendung von mechanisch gefügten Verbindun-gen in kleinen und mittleren Unternehmen ist es erforderlich, mit einer einfachen analytischen und deshalb preiswerten Methode die  Bemessung und einen Nachweis der Verbindungseigenschaften (hauptsächlich die Nahtfestigkeit) durchführen zu können.

Das wesentliche Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung eines Konstruktionssystems für den analytischen Festigkeitsnachweis von punktförmig mechanisch gefügten Bauteilen. Dazu wurde für punktförmige Fügenähte mit gleicher Nahteinteilung als Festigkeitskennwert die Grenznahtfestigkeit eingeführt, indem dem Verbindungsbereich, ähnlich wie der Grundwerkstoff eine Zugfestigkeit aufweist, eine ertragbare Zugspannung zugeordnet wurde.

Diese kann ermittelt werden, indem Zugproben mit variierter Anzahl von Fügepunkten in Kombination mit verschiedenen Fügepunktabständen geprüft und die erhaltenen Höchstzugkräfte auf den kleinsten  angeschlossenen Blechquerschnitt bezogen werden. Derartig experimentell ermittelte Spannungswerte lassen sich in einem Diagramm über dem Fügepunktabstand auftragen und eine Funktion, die so genannte  Grenznahtkurve, abbilden und es können Nahtfestigkeiten für nahezu beliebige Fügepunktabstände grafisch ermittelt bzw. analytisch berechnet werden.

Ein wesentlicher Arbeitspunkt des Forschungsvorhabens bestand in der Aufstellung derartiger Grenznahtkurven sowohl mittels bereits vorhandenen Datenquellen als auch durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen für unterschiedliche Fügesysteme, sowie verschiedene Grundwerkstoffe und konstruktive Randbedingungen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind in einem Merkblattentwurf zusammengefasst. Dieses Merkblatt ermöglicht die analytische Berechnung erreichbarer Nahtfestigkeiten bzw. erforderlicher Fügepunktabstände von punktförmigen Verbindungsnähten mittels spannungsbasierten Nahtkennwerten, welche in umfangreichen experimentellen Untersuchungen ermittelt wurden. Das Merkblatt  beinhaltet eine einfach handhabbare und kostengünstige Berechnungsmethode, mit der ein Festigkeitsnachweis oder eine Bemessung von punktförmig mechanisch gefügten Verbindungsnähten an Bauteilen aus Feinblech durchgeführt werden kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung eines Konstruktionssystems für den rechnerischen Festigkeitsnachweis von punktförmig mechanisch gefügten Bauteilen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15550BR  von der Forschungsvereinigung EFB e.V. über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung  und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht  Nr. 323 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Mechanical Spot joining techniques joining processes have been successfully established in the sheet metal processing industry and their application fields currently grow stronger. For comprehensive  application of mechanical jointing techniques in small and medium-sized companies it is necessary to be able to perform an uncomplicated analytical (and inexpen-sive) structural integrity assessment of  the joints. The essential aim of the research project was to develop a design system for the analytical assessment of weld strength of spot shaped mechanical joined components.

Against this background the critical weld strength has been introduced for spot shaped joining welds. Similar to the tensile strength of the base material a critical tensile stress of the joint area has been  developed. This critical joint-seam stress can be calculated with the ultimate tensile strength of tensile specimen with different spotjoint distances and number of spot-joints and the smallest cross-sectional area of  the sheet. Such experimental determined stress values can be represented as a function of the spot distance in a diagram. The graph of the function is called critical-strength-curve. It is either possible to  graphically determine weld strengths for various spot distances or to calculate them analytically.

An essential working point of the research project was the determination of such critical weld curves, both with already existing data sources and also extensive experimental investigations for different  joining systems as well as different base materials and constructive constraints. The results of the research project are summarized in a technical guideline. This guideline makes it possible to calculate the reachable seam strengths and required joint spot distances for mechanical joint  spot seams respectively. The technical guideline contains a simply manageable and cost-efficient calculating method for the determination of seam strength or a rating of spot shaped mechanically joined  seams at components made of sheet metals.  The aim of the research project has been successfully achieved.

Inhalt

Abstract
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen und Formelzeichen
1Einleitung
2Zielsetzung des Forschungsvorhabens
3Stand der Technik
3.1Berechnung und Auslegung von punktförmigen Verbindungen
3.2Festigkeitskennwerte punktförmiger Fügenähte
3.3Herleitung von Grenznahtfestigkeit und Grenznahtkurven
4Experimentelle Untersuchungen
4.1Versuchsplanung
4.1.1Grundwerkstoffe
4.1.2Verbindungskonstruktion und Probengeometrien
4.1.3Fügetechnologien zur Probenfertigung
4.2Versuchsdurchführung
4.2.1Blechzuschnitt und Oberflächenbehandlung
4.2.2Probenfertigung
4.2.3Quasistatischer Zugversuch
4.3Versuchsergebnisse
4.3.1Grundwerkstoffproben
4.3.2Ergebnisse aus den Scherzugversuchen
4.3.3Ergebnisse aus den Schälzugversuchen
5Nahtkennwerte
5.1Grenznahtfestigkeiten punktförmiger Fügenähte
5.2Nominelle Grenznahtkurven
5.2.1Ansatz zur Bestimmung der nominellen Grenznahtkurve
5.2.2Nominelle Grenznahtkurven realer Verbindungen
5.2.3Minimal möglicher Fügepunktabstand emin
5.2.4Nahtfaktor αN von punktförmig mechanisch gefügten Nähten
5.2.5Einfluss werkstofflicher, technologischer und konstruktiver Verbindungseigenschaften auf die Grenznahtfestigkeit
6Festigkeitsnachweis
6.1Vorbetrachtungen
6.2Berechnung zulässiger Kennwerte
6.2.1Berechnung des erforderlichen Verbindungsabstandes auf Basis zulässiger Spannungen
6.2.2Berechnung der Nahtfestigkeit auf Basis zulässiger Spannungen
6.3Sicherheitskonzept
6.3.1Charakteristische Grenznahtfestigkeit
6.3.2Teilsicherheitsbeiwerte
7Entwurf eines Anwendermerkblattes
8Zusammenfassung
9Literatur
Anhang 1: Eingangsgrößen und nominelle Grenznahtkurven
Anhang 2: Merkblattentwurf