Spannungsbasierte Auslegung von Blindnietverbindungen mit experimentell ermittelten Kennwerten
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl.-Wirt.-Ing. Normen Fuchs, Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Blunk, Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - Priv.-Doz. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dr.-Ing. habil. Frank Riedel, Dipl.-Ing. Roman Marx, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
134 Seiten - 63,00 EUR (sw, 124 farbige Abb., 16 Tab.)
ISBN 978-3-86776-397-4
Zusammenfassung
Aufgrund des Fehlens geeigneter Berechnungsmethoden für Blindnietverbindungen bestand das Ziel des Forschungsvorhabens in der Entwicklung eines spannungsbasierten Bemessungskonzepts für blindgenietete Konstruktionen bei quasistatischer Querkraftbeanspruchung. Dieses soll insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit geben, durch eine einfach anzuwendende und gleichzeitig kostengünstige Methode Blindnietverbindungen sicher auszulegen. Aufgrund der im Vergleich zu Schrauben- und Vollnietverbindungen komplexen Geometrie und Vielfalt der Blindnietverbinder können konventionelle Methoden nicht zur Anwendung kommen. Aus diesem Grund musste ein neuer Ansatz gefunden werden, mit welcher das elastische Verformungsverhalten von derartigen Verbindungen quantifiziert werden kann.
Dazu wurden experimentelle Versuche zur Ermittlung der Tragfähigkeit von blindgenieteten Ein- und Mehrpunktverbindungen notwendig. Anhand dieser konnten zunächst Kenntnisse über das Verformungsverhalten gewonnen sowie Maximalkräfte für die untersuchten Kombinationen aus Blindniet, Fügeteilwerkstoff, Probengeometrie und Fügepunktanzahl bestimmt werden. Für die Untersuchungen wurden die Probenkörper entsprechend aktueller Anforderungen der im Vorhaben vertretenen Industriebereiche sowie unter der Berücksichtigung zulässiger Rand- und Lochabstände entworfen. Durch eine intensive Recherche zu Einflussfaktoren auf das Tragverhalten von Blindnietverbindungen sowie unter Verwendung der statischen Versuchsplanung konnte der experimentelle Aufwand deutlich reduziert werden. Anschließend wurde mittels eines geeigneten Verfahrens für die untersuchten Verbinder- und Werkstoffkombinationen ein elastischer Tragfähigkeitskennwert ermittelt, das so genannte Streckkraftäquivalent, mit welchem unter Berücksichtigung von zulässigen Verformungen und Beanspruchungen Bemessungsregeln erstellt wurden. Dabei wurde auch ein Sicherheitskonzept implementiert, wie es in der Schweißtechnik Stand der Technik ist und das die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Verbindung im Einsatz über die geplante Lebensdauer sicherstellt.
Die Vorgehensweise bei der Bemessung von linienförmigen Blindnietverbindungen, die auf Basis von zum einen ertragbaren und zum anderen zulässigen Spannungen erfolgen kann, wurde anschließend in einem Anwendermerkblatt zusammengefasst und anhand von Beispielen erläutert. Das Merkblatt ermöglicht dabei die direkte Übertragung der Forschungsergebnisse in die Praxis. Für die Erweiterung der Kennwertmatrix um nicht untersuchte Verbindungen wurde der erforderliche Aufwand dargelegt, so dass der Geltungsbereich des Merkblatts auf die individuellen Bedürfnisse der Anwenderunternehmen fortlaufend angepasst werden kann.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Spannungsbasierte Auslegung von Blindnietverbindungen mit experimentell ermittelten Kennwerten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16574BR 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. 357 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Abstract
The lack of suitable methods for calculating blind-rivet connections was cause for this research project. The aim was to derive a stress-based design method for blind-riveted constructions under quasi-static shear loads. By experimental determination of the load capacities of single and multi-point connections knowledge about the deformation behavior was gained. Then, by an appropriate method for the investigated blind-rivet types and material combinations, an elastic load characteristic value was determined, which considers allowable deformations and stresses for the creation of design rules. It was also a policy into take safety factors into account, as it is state of the art in construction, which ensures the viability and usability of the connection during the planned service life.
The procedure for the calculation of linear blind-rivet connections, which may be done either on the basis of tolerable or on the basis of allowable stresses, was then summarized in a user leaflet and illustrated by examples. The leaflet enables to transfer the research results into practice.
For the expansion of the generated characteristic matrix beyond the investigated connections and fasteners the necessary amount of additional examination is explained so that the scope of the leaflet can be constantly adapted to the individual needs of the using companies.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abstract
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
1 Einleitung
2 Zielsetzung des Forschungsvorhabens
3 Grundlagen und Stand der Technik
3.1 Berechnung und Auslegung von Blindnietverbindungen
3.2 Festigkeitskennwerte punktförmiger Fügenähte
3.3 Analytische Berechnung punktförmiger Fügenähte mit spannungsbasierten Kennwerten
4 Ableitung eines Kennwertkonzepts bei reversibler Verformung der Bauteile
4.1 Bestimmung eines Streckgrenzenkennwerts nach einmaliger Beanspruchung im Scherzugversuch
4.2 Bestimmung eines Streckgrenzenkennwerts nach mehrmaliger Beanspruchung im Scherzugversuch
5 Experimentelle Untersuchungen
5.1 Versuchsplanung
5.1.1 Anwendungsbereiche
5.1.2 Grundwerkstoffe
5.1.3 Blindniettypen
5.1.4 Verbindungskonstruktion und Probengeometrie
5.2 Versuchsdurchführung
5.2.1 Probenzuschnitt und Fertigung
5.2.2 Tragversuche
5.3 Versuchsergebnisse
5.3.1 Grundwerkstoffuntersuchungen
5.3.2 Nietuntersuchungen
5.3.3 Untersuchungen an genieteten Scherzugproben
6 Versuchsauswertung Fα45 als elastische Kenngröße für Blindnietverbindungen
6.1 Streckkraftäquivalente der untersuchten Blindnietverbindungen
6.2 Eignung als elastische Festigkeitskenngröße für Blindnietverbindungen
6.3 Anwendbarkeit des Streckkraftäquivalents auf Mehrelementproben
7 Überführung der elastischen Kenngrößen in spannungsbasierte Kennwerte
7.1 Grenznahtfestigkeiten von Blindnietnähten
7.2 Nominelle Grenznahtkurven
7.2.1 Ansatz zur Bestimmung der nominellen Grenznahtkurve
7.2.2 Minimal möglicher Lochabstand
7.2.3 Nahtfaktoren αN von Blindnietnähten
8 Anwendung und Festigkeitsnachweis
8.1 Vorbetrachtungen
8.2 Demonstratorbauteil
8.2.1 Konstruktion und Auslegung eines Demonstratorbauteils
8.2.2 Zugversuche am Demonstratorbauteil
8.2.3 Zugversuche mit optischer Dehnungsmessung bei vorgegebenen maximalen Beanspruchungen
8.3 Berechnung zulässiger Kennwerte
8.3.1 Berechnung des erforderlichen Lochabstandes auf Basis zulässiger Spannungen bei reversiblen Verformungen
8.3.2 Berechnung der Nahtfestigkeit auf Basis zulässiger Spannungen und Verformungen
8.4 Sicherheitskonzept
8.4.1 Charakteristische Nahtfestigkeit
8.4.2 Teilsicherheitsbeiwerte
8.5 Kennwerte
8.6 Entwurf eines Anwendermerkblatts
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
