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EFB-Forschungsbericht Nr. 275

Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanisch gefügter Verbindungen in Schienenfahrzeugen

EFB275.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Matthias Wißling , Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik LWF, Universität Paderborn, Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hanel, Dr.-Ing. Bernd Donat, Struktur- und Werkstoffmechanikforschung Dresden gGmbH

254 Seiten (sw 268 Abb., 25 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-308-0

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Die steigenden Forderungen nach hohem Insassenschutz und der Wunsch nach Leichtbau im Schienenfahrzeugbau erfordern zuverlässige Methoden zur Berech-nung der Crashsicherheit von Strukturelementen. Mathematische Modellierungen zur Festigkeitsberechnung ganzer Wagenstrukturen sind dabei nur möglich, wenn auch örtlich kritische Stellen z. B. an Fügeverbindungen oder konstruktive Unstetigkeiten z. B. an Türausschnitten erfolgreich in der globalen Modellierung berücksichtigt wer-den können. Die Modellierung von Fügeverbindungen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) bei Crashbelastung erfordert dabei sowohl die Berücksichtigung der sich bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten ändernden Werkstoffeigenschaften als auch die Berücksichtigung der Änderungen der Belastungsrichtung am Fügepunkt. Die große Zahl möglicher Kombinationen von Werkstoffen, Blechdicken, mechani-schen Fügeteilen und konstruktiven Gestaltungsvarianten steht dabei im Gegensatz zum Wunsch einer möglichst universell umsetzbaren Modellierungsvariante. Ziel des vorliegenden Projektes war es daher für typische Werkstoffe und typische mechani-sche Fügeverbindungen ein FE-Modell zu entwickeln und die Ergebnisse der Model-lierung mit experimentellen Daten zu vergleichen.

In einem ersten Arbeitspaket des Projektes wurden für typische Werkstoffe und Blechdicken des Schienenfahrzeugbaus geschwindigkeitsabhängige Kennwerte und Fließkurven ermittelt.

Ein weiteres sehr umfangreiches Arbeitspaket diente der Ermittlung der geschwin-digkeitsabhängigen Festigkeitswerte von Fügeverbindungen an Einpunktproben. Die dabei ermittelten richtungsabhängigen Kennkurven sind notwendige Voraussetzung zur Bewertung der Tragfähigkeit der Verbindung während der Modellierung des De-formationsverhaltens beim Crash.

Crashversuche an einer bauteilähnlichen Probenform mit unterschiedlichen Belas-tungsgeschwindigkeiten und Fügeverbindungen dienten in einem weiteren Arbeits-paket zur Generierung von experimentellen Daten für das Deformationsverhalten der Proben. Sowohl die ermittelten Kraft-Zeit- als auch die Deformations-Zeitverläufe sind Grundlage für den Vergleich zwischen Versuch und Berechnung.

Auf Basis der experimentellen Daten von den Einpunktproben erfolgte die Ermittlung geeigneter Konzepte für die FE-Simulation der Fügestellen. Ergebnis dieses Arbeits-paketes war die Ermittlung eines Fügepunkt-Ersatzmodells.

Mit diesem Fügepunkt-Ersatzmodell wurde abschließend das Tragverhalten der bau-teilähnlichen Probe im Crashversuch simuliert. Die Ergebnisse dieses Arbeitspaketes zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Da-ten und der Simulationsrechnung.

Im Projekt konnte nachgewiesen werden, dass sowohl mit den ermittelten Werkstoff-daten als auch dem entwickelten FE-Modell erfolgreich Berechnungen zum Crash-verhalten von Fügeverbindungen durchführbar sind.

Das Forschungsvorhaben „Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanisch gefügter Verbindungen in Schienenfahrzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14482BG 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. 275 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Zusammenfassung der Ergebnisse
2 Einleitung
3 Stand der Technik
3.1 Schienenfahrzeugbau – Bauweisen und Werkstoffe
3.2 Mechanische Fügeverfahren
3.2.1 Stanznieten mit Vollniet
3.2.2 Blindnieten
3.2.3 Fügen mit Schließringbolzen
3.3 Werkstoffverhalten und Deformationsgeschwindigkeit
3.4 Modellierung von Bauteilverbindungen in der Crashsimulation
4 Projektziel
5 Proben und Versuchsdurchführung
5.1 Ermittlung von Verbindungskennwerten
5.1.1 Probengeometrie
5.1.2 Versuchsdurchführung
5.2 Werkstoffauswahl
5.2.1 Stahlblechwerkstoff S355MC
5.2.2 Stahl X5CrNi18-10
5.2.3 Stahl S355J2G3C
5.2.4 Aluminiumstrangpressprofil EN AW-6005AT6
5.2.5 Aluminium EN AW-5083H111
5.3 Verbindungselemente
5.3.1 Vollstanzniete
5.3.2 Blindniete
5.3.3 Schließringbolzen
5.4 Versuche Werkstoffproben
5.5 Versuche bauteilähnliche Probe
6 Geschwindigkeitsabhängiges Werkstoffverhalten
6.1 Stahl X5CrNi18-10, Wst.-Nr. 1.4301
6.2 Stahl S355MC, Wst. Nr. 1.0976
6.3 Stahl S355J2G3C, Wst.-Nr. 1.0569
6.4 Aluminium EN AW-5083H111
6.5 Aluminium EN AW-6005A
6.6 Kennwertvergleich
7 Charakterisierung des Verbindungsverhaltens
7.1 Bedeutung der lokalen Verformungsmessung
7.2 Verbindungskennwerte in Abhängigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit
7.2.1 Verbindungskennwerte bei quasistatischer Belastung
7.2.2 Verbindungskennwerte bei schlagartiger Belastung
8 Simulationsmethode für mechanische Fügeverbindungen
8.1 Verwendeter Lösungsalgorithmus und Materialdefinition
8.1.1 Expliziter Lösungsalgorithmus
8.1.2 Materialdefinition der Blechwerkstoffe in der Simulation
8.2 FE-Ersatzmodell der Fügestelle
8.3 Kalibrierung des FE-Ersatzelementes
8.3.1 FE-Modellierung der KS-II Proben
8.3.2 Kalibrierung des Ersatzelementes am Experiment
9 Versuche an bauteilähnlichen Proben
9.1 Statische Versuche
9.2 Crashversuche
10 Validierung an bauteilähnlicher Probe
10.1 FE-Modellierung der bauteilähnlichen Probe
10.2 Vergleich Simulation mit Experiment
11 Ergebnisbewertung
12 Danksagung
13 Literatur