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EFB-Forschungsbericht Nr. 344

FE-Ersatzmodelle für Fügepunkte mit nichtlinearem Steifigkeitsverhalten

efb344

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Sebastian Hensel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hanel, Dr.-Ing. Bernd Donat, Struktur- und Werkstoffmechanikforschung Dresden gGmbH SWM

126 Seiten (sw, 92 teils farbige Abb., 16 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-382-0

Preis (Digital) EUR 79,00

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Im heutigen Auslegungsprozess für Konstruktionen mit großen Dimensionen und hoher Komplexität des Schienenfahrzeugbaus und vergleichbarer Industriezweige werden bei der Betrachtung statischer Lastfälle sehr einfache Ersatzmodelle für Fügestellen verwendet, oftmals lediglich in Form eines Zusammenziehens von Knoten der zu verbindenden Bleche. Aufgrund der Restriktionen bezüglich der Berechnungsdauer von komplexen Strukturmodellierungen erfolgt zumeist eine rein linear-elastische Betrachtung. Hiermit lassen sich nichtlineare Phänomene wie Verbinderrutschen, lokale Lastpfadumlagerung und bleibende Fügestellendeformation nicht abbilden.

Ziel im vorliegenden Projekt ist die Erweiterung der heute eingesetzten Methodik zur Fügepunktersatzmodellierung, um die Abbildung von Nichtlinearitäten mechanisch gefügter punktförmiger Verbindungsstellen. Hiermit lässt sich die Genauigkeit bei der Berechnung von Großstrukturen deutlich steigern und im Ergebnis kann die Anzahl von aufwendigen Konstruktionsschleifen reduziert werden. Eine Schwierigkeit besteht in der Aufnahme korrekter Steifigkeitsverläufe zur Kalibrierung der nichtlinearen Ersatzmodelle. Im Projekt wurde für die untersuchten Fügeelemente Schließringbolzensysteme, Blindniete und Schraubverbin-dungen eine bestehende am IWU entwickelte Steifigkeitsmessmessmethode unter Verwendung von 2-Punkt-Proben eingesetzt. Hiermit lässt sich, verglichen mit konventionellen Messmethoden, deutlich plausibleres nichtlineares Steifigkeitsverhalten aufnehmen. Für die Auswahl einer geeigneten Fügestellen-Ersatzmodellierung wurden verschiedene Modelle in den FE-Software-Paketen Ansys, Nastran und LS-Dyna getestet und bewertet.

Unter Berücksichtigung der Prämissen für die Modellierung im Projekt - geringer Rechenzeitbedarf, Stabilität, niedriger Modellerstellungsaufwand sowie nicht-ausschließliche Verfügbarkeit in allen eingesetzten Solvern - erfolgte die Festlegung einer Vorzugsvariante. Diese basiert auf einer nichtlinearelastischen Federelementkombination. Die Kalibrierung des Vorzugsmodells erfolgte anhand der umfangreichen experimentellen Untersuchungsmatrix für die 2-Punkt-Proben-Grundversuche. Die Auswertemethodik der 2-Punkt-Probenmessung wurde um die Einbeziehung des Traversenwegs erweitert, um eine verbesserte Abbildungsgenauigkeit für höhere Belastungen zu erreichen. In einem nächsten Schritt wurde die Fügestellen-Ersatzmodellierung auf 5-Punkt-Proben übertragen, um eine verglichen mit den Grundversuchen kombinierte komplexere Fügestellenbelastung abzubilden. Abschließend erfolgte die Übertragung der Ergebnisse auf eine im Projekt konstruierte Komplexprobengeometrie in L-Form mit 22 Fügestellen. Die Komplexprobe ermöglicht die Berücksichtigung von hochgradig nichtlinearen Wechselwirkungen der Fügestellen untereinander in Form von Lastumverteilungen.

Es werden Methoden zur Steifigkeitsermittlung für Fügestellen und im Ergebnis Kennlinien für die nichtlineare Charakteristik der untersuchten mechanischen Fügepunktverbindungen bereitgestellt. Das Vorgehen bei der Kalibrierung der gewählten Ersatzmodellierung auf Basis der experimentell bestimmten Kennlinien wird im Detail erläutert. Die Übertragbarkeit der Methoden auf komplexe Probengeometrien ermöglicht einen Einsatz in der Großstrukturberechnung. Die Projektziele wurden sämtlich erreicht.

Das IGF-Vorhaben „FE-Ersatzmodelle für Fügepunkte mit nichtlinearem Steifigkeitsverhalten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16252BR 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 und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 344 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung 2 Stand der Technik
2.1 Großstrukturberechnung
2.1.1 Industriezweige
2.1.2 Anforderungen
2.1.3 Einsatzgrenzen
2.2 Ersatzmodellierung
2.2.1 Ziele
2.2.2 Vereinfachungen und Grenzen
2.3 Ansätze in der Literatur 3 Problemstellung und Projektziele
3.1 Ausgangssituation
3.2 Zielstellung im Projekt
3.3 Innovativer Beitrag der Projektergebnisse
4 Projektplanung experimentelle Versuche
4.1 Blechgrundmaterial
4.2 Fügeelemente
4.3 2-Punkt-Proben
4.4 5-Punkt-Proben
4.5 Komplexproben
4.6 Unterschiedliche Materialpaarungen
5 Experimentelle Grundversuche
5.1 Blechmaterialcharakterisierung
5.2 Prüfung Verbindungsausbildung
5.3 2-Punkt-Proben
5.3.1 Probengeometrie und Prüfbedingungen
5.3.2 Quasistatische Versuche
5.3.3 Versuche unter zyklischer Belastung
5.3.4 Zusammenfassung 2-Punktproben-Versuche
5.4 5-Punkt-Proben
5.4.1 Probengeometrie und Prüfbedingungen
5.4.2 Zusammenfassung 5-Punktproben-Versuche II Fraunhofer IWU / SWM
6 Ersatzmodellauswahl
6.1 Modellklassifizierung
6.2 Bewertungskriterien
6.3 Ergebnisse
6.4 Wirkungsweise der Vorzugsvariante
7 Modellierung Grundversuche
7.1 2-Punkt-Probe
7.1.1 Modellrandbedingungen.
7.1.2 Ergebnisse 2-Punkt-Probenberechnung
7.1.3 Parametervariation
7.1.4 Anzahl Berechnungsschritte und Kennliniendiskretisierung
7.2 5-Punkt-Probe
7.2.1 Modellrandbedingungen
7.2.2 Ergebnisse 5-Punkt-Probenberechnung
7.3 Feinsimulation Schließringbolzenverbindung
7.4 Einbindung Traversenwegmessung
7.5 Zusammenfassung Ersatzmodellkalibrierung
7.6 Simulation Schwelllastversuche
8 Experimentelle Versuche Komplexprobe
8.1 Probengeometrie und Prüfbedingungen
8.2 Ergebnisse
8.2.1 Komplexprobe P1
8.2.2 Komplexprobe P2
8.2.3 Komplexprobe P3
9Modellierung Komplexprobe
9.1 Modellrandbedingungen
9.2 Ergebnisse
9.2.1 Komplexprobe P1
9.2.2 Komplexprobe P2
9.2.3 Komplexprobe P3
10 Plastische Blechmaterialcharakteristik
10.1 Komplexproben
10.2 5-Punkt-Proben
11 Zusammenfassung und Ausblick
12 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
Literatur
Anhang