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EFB-Forschungsbericht Nr. 281

Ermittlung des Einflusses von verbleibender Klemmkraft auf die Schwingfestigkeit von hochfesten Blindnietverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl. Wirt.-Ing. Mathias Heger Laboratorium für Werkstoff und Fügetechnik der Universität Paderborn LWF Paderborn

124 Seiten (sw, 95 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-315-8

Preis (Digital) EUR 57,00

Preis (Print) EUR 64,00

Zusammenfassung

Das Wissen über wahre Verbindungskennwerte sowie deren Einfluss auf die Bauteileigenschaften, gibt dem Ingenieur die Möglichkeit, Konstruktionen noch präziser als bisher auszulegen. In einem Forschungsvorhaben am Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn wurden Konzepte zur Ermittlung der Verbindungskennwerte „verbleibende Klemmkraft“ sowie „verbleibende Lochleibung“ von hochfesten Blindnietsystemen erarbeitet und umgesetzt. Anschließend wurde deren Einfluss auf das ragverhalten unter zyklischer Belastung ermittelt.

Im Rahmen des Projektes wurde gezeigt, dass es mit einfachen Prüfaufbauten möglich ist, qualitative sowie quantitative Aussagen über die Verbindungskennwerte „verbleibende Klemmkraft“ sowie die „verbleibende Lochleibung“ zu treffen. Diese Erkenntnisse stellen einen bedeutenden Mehrwert zur Auslegung von Verbindungen mittels Blindnieten dar, da bisher nur die ermittelten Kennwerte „maximale Kopfzugkraft“ sowie „maximale Scherzugkraft“, die lediglich eine Aussage über den Blindniet aber nicht über die Verbindung ermöglichen, zur Verfügung standen.

Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Setzprozess beider untersuchter Blindnietsysteme numerisch stabil mittels der Methode der Finiten-Elemente abgebildet werden kann. An diesen Modellen können Parameterstudien zur Ermittlung von Einflussgrößen auf den Setzprozess durchgeführt werden. Die abschließenden experimentellen Untersuchungen unter zyklischer Belastung haben gezeigt, dass die Verbindungskennwerte „verbleibende Klemmkraft“ und „verbleibende Lochleibung“ keinen signifikanten Einfluss auf die Tragfähigkeit der Verbindung nehmen.

Das Forschungsvorhaben „Ermittlung des Einflusses von verbleibender Klemmkraft auf die Schwingfestigkeit von hochfesten Blindnietverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14577N 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. 281 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abkürzungen und Formelzeichen
1. Einleitung
2. Stand der Technik
2.1. Mechanische Fügeverfahren
2.2. Einordnung der Verfahren
2.3. Verbindungstechnologie Blindnieten
2.3.1. Hochfeste Blindniete
2.4. Leichtbau
2.5. Numerische Simulation mittels der Methode der Finiten Elemente
2.5.1. Ablauf einer Berechnung mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente
2.5.2. Theoretische Grundlagen der Methode der Finiten Elemente
3. Zielstellung und Inhalt des Projektes
4. Experimentelle Randbedingungen
4.1. Verwendete Blindniete
4.2. Versuchswerkstoffe
4.2.1. Werkstoff 42CrMo4
4.2.2. Werkstoff X12CrNi17-7
4.2.3. Werkstoff H220BD und H260BD
4.3. Probenformen
4.4. Ermittlung der Werkstoffkennwerte der Blindniete
4.5. Prüfeinrichtungen
4.5.1. Universalprüfmaschine Zwick Z100
4.5.2. Taurus 4 der Firma Gesipa
4.5.3. Universal Prüfmaschine Nene M 3000
4.5.4. 25 kN MTS Prüfzylinder
4.5.5. Piezoelektrische Kraftmessringe (9051A) der Firma Kistler
4.6. Kalibrierung mittels Blindnietnachahmung
4.7. Prüfvorrichtungen
4.7.1. Prüfschalen
4.7.2. Reibprüfstand
4.7.3. Hülsenprüfstand
4.7.4. Druckmessfolien (DMF)
4.7.5. Spannungsoptik
5. Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
5.1. Ergebnisse Klemmkraftmessung
5.1.1. Prüfschalen
5.1.2. Reibprüfstand
5.2. Ergebnisse Lochleibungsdruck
5.2.1. Hülsenprüfstand
5.2.2. Druckmessfolien
5.3. Untersuchung der Wärmeentwicklung beim Setzprozess
5.4. Ergebnisse der Tragfähigkeit unter zyklischer Belastung
5.4.1. Voruntersuchungen
5.4.2. Untersuchungsumfang und Randbedingungen
5.4.3. Ermittelte Wöhlerkurven
5.4.4. Charakteristische Steifigkeitsverläufe
5.4.5. Versagensdokumentation
5.4.6. Auswertung der relativen Fügeteilverschiebung
6. Ergebnisse der numerischen Untersuchungen
6.1. Erstellung der Materialgesetze
6.2. Modellaufbau und Kinematik in der Simulation
6.3. Diskretisierung und Neuvernetzung
6.4. Numerische Ermittlung der Verbindungskennwerte
6.4.1. Klemmkraftermittlung
6.4.2. Lochleibungsermittlung
6.4.3. Maschinensteifigkeitskorrektur
6.5. FE-Modelle für die numerischen Untersuchungen
6.5.1. FE-Modell des hülsenfaltenden Blindnietes
6.5.2. FE-Modell des hülsenweitenden Blindnietes
6.6. Verifikation der Berechnungsergebnisse
6.6.1. Verifikation der Ergebnisse beim hülsenfaltenden Blindniet
6.6.1. Verifikation der Ergebnisse beim hülsenweitenden Blindniet
6.7. Einfluss der Klemmlänge auf die Verbindungskennwerte
6.7.1. Einfluss der Klemmlänge beim hülsenfaltenden Blindniet auf die Verbindungskennwerte
6.7.2. Einfluss der Klemmlänge beim hülsenweitenden Blindniet auf die Verbindungskennwerte
6.8. Einfluss des Bohrungsdurchmessers auf die Verbindungskennwerte
6.8.1. Einfluss des Bohrungsdurchmessers beim hülsenfaltenden Blindniet auf die Verbindungskennwerte
6.8.2. Einfluss des Bohrungsdurchmessers beim hülsenweitenden Blindniet auf die Verbindungskennwerte
6.8.3. Weitere identifizierte Einflussfaktoren auf die Verbindungskennwerte
7. Zusammenfassung
8. Literaturverzeichnis