Methodenentwicklung zur Verbesserung der Schädigungsmodellierung in der numerischen 3D-Belastungssimulation mechanischer Fügeverfahren unter Berücksichtigung der fügeinduzierten Vorbeanspruchung
Verfasser:
Prof. Dr-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Moritz Rossel, Dr.-Ing. Mortaza Otroshi, M.Sc. Christian R. Bielak, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn
124 Seiten - 89,00 EUR (sw, 99 teils farbige Abb., 12 Tab.)
ISBN 978-3-86776-679-1
Zusammenfassung
Aufgrund der zunehmenden Tendenz zum Leichtbau und dem damit verbundenen Einsatz von höherfesten und höchstfesten Stählen werden vor allem die Fügeverbindungen bis an die Grenzen ihrer Verbindungsfestigkeit belastet. Eine detaillierte Analyse der Versagensmechanismen im Fügepunkt ist durch die mangelnde Abbildungsgenauigkeit im Bereich der Schädigung nicht möglich.
Durch die Berücksichtigung der Schädigungsentwicklung beim Fügen wird die Prognosegüte wesentlich verbessert und damit Überdimensionierungen von Bauteilen bzw. Verbindungen verringert, womit der Leichtbau unterstützt und Ressourcen geschont werden. Dem zufolge wird eine genauere Bauteilauslegung mit einer erhöhten Sicherheit gewährleistet.
Um das Forschungsziel zu erreichen, soll dabei die prozessinduzierte Vorbeanspruchung berücksichtigt und die Ergebnisse auf 3D-Belastungssimulationsmodelle übertragen werden.
Mittels Laststeigerungsversuchen für unterschiedliche Belastungsarten sollen die Versagenszeitpunkte und der Versagensort identifiziert werden. Die erforderlichen Schädigungsproben sollen identifiziert, erforderlichenfalls weiterentwickelt und erprobt werden.
Es soll untersucht werden, welches Schädigungsmodell für eine verbesserte Prognosegüte geeignet ist, um die nicht-proportionale Belastung zu berücksichtigen.
Darüber hinaus sollen durch eine Sensitivitätsanalyse die relevanten Parameter für die Quantifizierung der Modelle ermittelt und die Prognosegüte mit dem Daten- bzw. Versuchsaufwand korreliert werden. Die entwickelte Methode wird durch eine Belastungssimulation mit angepasstem Schädigungsmodell validiert.
Die Forschungsergebnisse erlauben es insbesondere KMUs aus Bereichen der System- und Elementhersteller, Simulationsdienstleister und Ingenieurbüros, das Versagensverhalten von mechanisch gefügten Verbindungen zu beschreiben und Prognosen über die Tragfähigkeit der Verbindungen erstellen und diese direkt an Ihre Kunden weitergeben zu können.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Methodenentwicklung zur Verbesserung der Schädigungsmodellierung in der numerischen 3D-Belastungssimulation mechanischer Fügeverfahren unter Berücksichtigung der fügeinduzierten Vorbeanspruchung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21811N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 609 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Due to the increasing trend towards lightweight construction and the associated use of higher-strength and ultra-high-strength steels, joints in particular are being stressed to the limits of their joint strength. A detailed analysis of the failure mechanisms in the joining zone is not possible due to the lack of accuracy in the area of damage.
By considering the damage evolution during joining, the prediction accuracy is significant-ly improved, reducing over-dimensioning of components or joints, which supports light-weight design and conserves resources.
Accordingly, a more accurate component design with increased safety is ensured. To achieve the research goal, the joining process history will be taken into account and the results transferred to 3D load simulation models. Load tests for different loading conditions will be used to identify the failure locations and the failure time.
The required damage specimens shall be identified, further developed if necessary, and tested. The damage model suitable for improved prediction quality shall be investigated to account for the non-proportional loading.
In addition, a sensitivity analysis will be performed to determine the influence of element size and element type on damage modeling. Furthermore, the influence of friction on the joint strength will be analyzed. The developed method will be validated by a load simulation with an adapted damage model.
In particular, the research results enable companies from the fields of system and element manufacturers, simulation service providers and engineering offices to describe the failure behavior of mechanically joined components and to make predictions about the load capacity of the connections and to pass these on directly to their customers.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung und Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Mechanische Fügetechnik
2.2 Plastizitätsbeschreibung der Werkstoffe
2.3 Modellierung von Werkstoffschädigung und -versagen
2.3.1 Mehrachsiger Spannungszustand
2.3.2 Schädigungs- und Versagensmodellierung in der numerischen Simulation
3 Verwendete Werkstoffe und Anlagentechnik
3.1 Mikrolegierter Stahl HX340LAD
3.2 Aluminiumwerkstoff EN AW-5182
3.3 Nietwerkstoff 38B2
3.4 Verwendete Anlagentechnik
3.4.1 Prüftechnik für die Zugversuche
3.4.2 Prüftechnik für die Durchstoßversuche
3.5 Material-Dicken-Kombinationen
4 Charakterisierung der anisotropen Werkstoffplastizität
4.1 Quasistatische Zugversuche des EN AW-5182
4.2 Quasistatische Zugversuche des HX340LAD
4.3 Analyse des anisotropen Werkstoffverhaltens
5 Identifikation des Verbindungsversagens
5.1 Versuchsaufbau der Laststeigerungsversuche
5.2 Versuchsergebnisse für EN AW-5182 in EN AW-5182
5.2.1 Laststeigerungsversuch anhand der 0°-LWF-KS2-Probe
5.2.2 Schädigungsuntersuchung mittels Steifigkeitsauswertung
5.2.3 Schädigungsuntersuchung mittels metallographischer Schliffbilder
5.2.4 Schädigungsuntersuchung mittels Ultraschall
5.2.5 Schädigungsuntersuchung mittels CT-Scan
5.2.6 Laststeigerungsversuch anhand der 30°-LWF-KS2-Probe
5.2.7 Laststeigerungsversuch anhand der 90°-LWF-KS2-Probe
5.2.8 Laststeigerungsversuche anhand der LWF-KS2-Schälzugprobe
5.3 Versuchsergebnisse für HX340LAD in EN AW-5182
5.3.1 Laststeigerungsversuch anhand der 0°-LWF-KS2-Probe
5.3.2 Laststeigerungsversuch anhand der 30°-LWF-KS2-Probe
5.3.3 Laststeigerungsversuch anhand der 90°-LWF-KS2-Probe
5.3.4 Laststeigerungsversuch anhand der LWF-KS2-Schälzugprobe
6 Identifikation des Spannungszustandes bei Werkstoff- und Verbindungsversagen
6.1 Numerische Modellierung der Prozesskette
6.2 Belastungssimulation ohne Schädigung
7 Experimentelle Erprobung der Schädigungsproben
7.1 Experimentelle Untersuchungen
7.1.1 0° ASTM-Doppelkerbzugprobe
7.1.2 30° ASTM-Doppelkerbzugprobe
7.1.3 Gekerbte Flachzugprobe
7.1.4 Gekerbte Flachzugprobe mit Nut
7.1.5 Durchstoßversuch
7.1.6 Experimentelle Identifikation des Versagenszeitpunktes und des -ortes
8 Simulative Erprobung der Schädigungsproben
8.1 Simulative Randbedingungen
8.2 Einflussanalyse eines richtungsabhängigen Fließmodells auf die Versagensdehnungen
8.2.1 Stahlwerkstoff HX340LAD
8.2.2 Aluminiumwerkstoff EN AW-5182
8.3 Ergänzung des GISSMO Schädigungsmodells
8.4 Simulation der Schädigungsproben mit dem erweiterten Schädigungsmodell
8.4.1 EN AW-5182
8.4.2 HX340LAD
9 Belastungssimulation mit Schädigung
9.1 KS2-90° Probe
9.2 KS2-0° Probe
9.3 Schälzugprobe
9.4 KS2-30° Probe
9.5 Versagensverhalten
10 Sensitivitätsanalyse
10.1 Analyse des Einflusses des Diskretisierungsgrades
10.1.1 Mikrolegierter Stahl HX340LAD
10.1.2 Aluminiumwerkstoff EN AW-5182
10.2 Einfluss der Reibung
11 Ergebnisse
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literaturverzeichnis
12.1 Normen
