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EFB-Forschungsbericht Nr. 276

Prüfmethode zur direkten Steifigkeitsmessung von punktförmigen Fügeverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Fred Jesch, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Matthias Wißling, Laboratorium für Werkstoff und Fügetechnik der Universität Paderborn

105 Seiten (sw 99, teils farbige Abb., 2 Tab)

ISBN: 978-3-86776-309-7

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Die treffsichere und korrekte Berechnung von Beanspruchungen an Strukturen mit einer Vielzahl punktförmiger Fügestellen ist immer noch eine Herausforderung insbesondere dann, wenn örtliche Beanspruchungen im Bereich der Fügestellen ausgewertet oder eine Bruchgefährdung beurteilt werden müssen. Ursachen hierfür sind neben unzulänglichen FE-Modellen für die Darstellung der Fügestellen der Mangel an exakten Primärdaten, die die Eigenschaften der Fügestellen beschreiben.

Das Forschungsprojekt hatte daher das Ziel eine neue Methode zur Ermittlung des Steifigkeitsverhaltens von punktförmigen Fügeverbindungen systematisch zu untersuchen und zu bewerten sowie die Anwendbarkeit der ermittelten Kennwerte in der Strukturberechnung zu überprüfen.

Das Prinzip dieser neuen Methode zur Ermittlung der Steifigkeit punktförmiger Fügeverbindungen beruht auf der Messung der Relativverschiebung der Bleche zwischen den Fügestellen bei Scherzugbelastung. Die gemessene Relativverschiebung ist proportional den Deformationen der Fügestelle. Dehnungen des Blechwerkstoffs sowie Verformungen des Lastrahmens oder der Kraftmesszellen haben keinen Anteil an der Relativverschiebung.

Es wurden zwei Prüfmethoden und die notwendige Messtechnik entwickelt und getestet. Für symmetrische Fügeteilpaarungen, d.h. bei Paarungen gleicher Blechdicke und gleichen Werkstoffs erfolgten die Prüfungen an einer 2-Punkt-Scherzugprobe. Die Messung der Relativverschiebung erfolgt bei Scherzugbelastung im Symmetriepunkt zwischen den Fügestellen mit einem Ansatzsensor. Die Steifigkeit der Verbindung ergibt sich aus dem Quotienten von Kraft je Fügestelle und der Größe der gemessenen Relativverschiebung.

Für nichtsymmetrische Blechpaarungen wurde der 3-Punkt-Verdrehversuch untersucht. Hier werden drei Fügestellen gleichmäßig durch Scherzug belastet. Die Messung der Relativverschiebung erfolgt auf dem Fügekreis mit einem Ansatzsensor. Die Steifigkeit der Verbindung ergibt sich aus dem Quotienten von wirkendem Moment und der Anzahl der Fügestellen, dem Fugekreisradius sowie der gemessenen Relativverschiebung.

Ein Vergleich der Kraft-Relativverschiebungsverläufe für gleichartige Blechverbindungen, die mit der 2-Punkt-Scherzugprobe und der 3-Punkt-Verdrehprobe ermittelt wurden, zeigt gleiche Ergebnisse. Bei der Untersuchung verschiedener Fügearten wurde festgestellt, dass die Relativverschiebung sehr sensibel das Steifigkeitsverhalten spezifischer Feinheiten der Fügstellen wiedergeben kann. Eine Feinsimulation der Probenbelastung unterstützte die Interpretation des experimentell ermittelten Steifigkeitsverhaltens und die Definition der Eigenschaften der FE-Ersatzmodelle für die Fügestellen.

Ziele der FE-Simulation der Belastung bauteilähnlicher Proben waren, geeignete Varianten für die Darstellung der Fügepunkte durch FE-Ersatzelemente in größeren Berechnungsmodellen zu finden sowie die experimentell ermittelten Steifgkeitskennwerte zu validieren. Das im Projekt entwickelte FE-Ersatzelement integriert lediglich sechs Freiheitsgrade pro Fügestelle in das Gesamtmodell und kann das komplette Trag- und Versagensverhalten der Fügestelle in sehr guter Übereinstimmung mit dem experimentell ermittelten Verhalten abbilden. Die Kalibrierung des Ersatzelementes erfolgt an dem vorab experimentell ermittelten Tragverhalten der Fügestellen. Als bauteilähnliche Probe wurde die H-Probe gewählt.

Im Ergebnis des Projektes stehen eine systematisch untersuchte Methode zur Ermittlung von statischen Steifigkeitskennwerten und eine Vorgehensweise für die Darstellung punktförmiger Fügestellen in der FE-Strukturberechnung zur Nutzung zur Verfügung.

Das Forschungsvorhaben „Prüfmethode zur direkten Steifigkeitsmessung von punktförmigen Fügeverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14481BG 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. 276 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The unerring and accurate calculation of stresses in structures with a multitude of punctiform joining connections continues to be a challenge, especially if local stresses are located in the area of the joining position or if crack endangerment needs to be assessed. In addition to in-adequate FE modelling, a major cause for this is the unavailability of exact primary data, which describe the properties of the joints. As a result, this research project aimed at examin-ing and evaluating a new method for determining the stiffness behaviour of joint connections systematically and to test the applicability of the identified parameters in the structure calcu-lation.
The principle of this new method to determine the stiffness of punctiform joint connections is based on the measurement of the relative displacement of the sheet metals between the joints during a shear load. The measured relative displacement is proportional to the defor-mations of the joint.  Strain of the sheet metal as well as deformations of the load frame or the force measuring cells of the test machine have no effect in the relative displacement.

Two test methods and the necessary measurement technology were developed and tested. Symmetric joint connections are connections with same sheet metal thicknesses and same materials. The examinations for this kind of pairings were carried out with a 2-point-shear-load-specimen. The measurement of the relative displacement was done with a clipped sen-sor in the point of symmetry between the joints during a shear loading. The stiffness of the connection arises from the ratio of force per joint and the size of the measured relative dis-placement.

For unsymmetrical pairings of sheet metals, the 3-point-torsion-test was investigated. Here three joints are evenly loaded through shearing. The measurement of the relative displace-ment was carried out with a clipped sensor on the circle of the joints. The stiffness of the connection arises from the quotient of acting torque and the number of joints, the radius of circle of the joints as well as the measured relative displacement.

A comparison of the force-relative-displacement-curves, which was identified with the 2-point-shear-load-specimen and the 3-point-torsion-specimen for the same sheet metal com-pounds, shows the same results. In examining different types of joints it was determined that the relative displacement reflects, with high sensitivity, the specific subtlety of the joint’s stiff-ness behaviour. A detailed simulation of loading the specimens supported the interpretation of the experimentally determined stiffness behaviour and the definition of properties of FE-models for the joints.

The objective of the FE-simulation of loading bigger assembly groups was to detect suitable FE-models for the presentation of joining points in large calculation models and to validate the experimental determined stiffness values. The FE-model for the joints developed in the project needs only six degrees of freedom per joint point and can reproduce the complete load bearing and capacity of the joint in a very good agreement with the experimentally de-termined behaviour. The calibration of the FE-model was executed with the prior experimen-tally determined stiffness of the joints. For the testing of a bigger assembly group, the H-specimen was selected.
As a result of the project, a systematically investigated method for the determination of the static stiffness and a procedure for the presentation of punctiform joints in the FE structure calculation are available.

Inhalt

1 Aufgabenstellung und Ziel des Forschungsprojektes
2 Stand der Technik
3 Probenformen und Versuchstechnik
3.1 2-Punkt-Scherzugprobe
3.1.1 Prinzip der Steifigkeitsermittlung an der 2-Punkt-Scherzugprobe
3.1.2 Versuchsdurchführung
3.2 Verdrehprobe
3.3 Messung der Relativverschiebung
4 Blechwerkstoffe
5 Fügeverfahren
6 Versuchsprogramm
6.1 Optimierung der Probengeometrie der Zweipunktprobe
6.2 Vergleich der Steifigkeitsmessung an symmetrischen Blechpaarungen mit der Zwei-Punkt-Scherzugprobe und der Drei-Punkt-Verdrehprobe
6.3 Untersuchung nichtsymmetrischer Blechpaarungen
6.4 Ermittlung der statischen Steifigkeit ausgewählter Fügeverbindungen
6.5 Ermittlung des Steifigkeitsverhaltens der H-Scherzugprobe
6.5.1 Probengeometrie
6.5.2 Prüfmaschine
6.5.3 Lokale Verformungsmessung unmittelbar auf der Probe
6.5.4 Trag- und Verformungsverhalten der H-Scherzugprobe
7 Feinsimulation der Scherzugbelastung der Fügestellen
8 FE-Methode zur Abbildung der Fügepunktsteifigkeit
8.1 FE-Ersatzmodell der Fügestelle
8.2 Kalibrierung des FE-Ersatzelementes
8.2.1 FE-Modellierung der Zweipunktprobe
8.2.2 Kalibrierung des Ersatzelementes am Experiment
8.3 Validierung der FE-Methode an H-Scherzugprobe
8.3.1 FE-Modellierung der H-Probe
8.3.2 Vergleich Simulation mit Experiment
9 Zusammenfassung
10 Anlagen