Ermüdungsfestigkeit halbhohlstanzgenieteter FKV-Metall-Hybridverbindungen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, M.Sc. Robert Staschko, Prof. Dr.-Ing. Normen Fuchs, M.Sc. Felix Holleitner, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
124 Seiten - 70,00 EUR (sw, 53 teils farbige Abb., 5 Tab.)
ISBN 978-3-86776-604-3
Zusammenfassung
Das effiziente Fügen im innovativen Multimaterial-Design ist eine von vielen Herausforderungen für den großserientauglichen Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Aus diesem Grund steht das vorlochfreie „Halbhohlstanznieten (HSN)", innerhalb des Forschungsvorhabens im Fokus.
Zur Qualifizierung stanzend hergestellter FKV-Aluminium-Verbindungen für die praktische Anwendung sind diverse Randbedingungen zu berücksichtigen, sodass ein sicherer Einsatz dieser Fügetechnologie ermöglicht werden kann. Diese reichen von der Kenntnis werkstofflicher Potenziale der FKV-Werkstoffe über die Verbindungsbemusterung bis hin zu den resultierenden mechanischen Verbindungseigenschaften.
Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften sowie der Lochleibungsschädigung der eingesetzten duro- und thermoplastischen FKV-Fügeteilwerkstoffe erfolgte als Basisuntersuchung ebenfalls im Rahmen des Vorhabens. Die experimentellen Versuchsergebnisse konnten hierbei belastungs- und verarbeitungsabhängige Eigenschaften der FKV-Fügeteilwerkstoffe offenbaren.
Die durchgeführte Sensitivitätsanalyse halbhohlstanzgenieteter FKV-Metall-Verbindungen unter quasistatischer und zyklischer Belastung beinhaltete eine Berücksichtigung der Schädigungsmechanismen des FKV sowie der metallischen Verbindungsbestandteile.
Einen maßgebenden Informationsgewinn zur Analyse und Bewertung des Schädigungsverhaltens der Verbindungen wurde hierbei durch den Einsatz optischer Messtechnik auf Basis der digitalen Bildkorrelation (DIC) erzielt. Diese ermöglichte erstmalig die Beurteilung des Schädigungsverhaltens für HSN-Verbindungen auf Basis der Nietschrägstellung über den sowohl quasistatischen als auch zyklischen Scherzugversuch hinweg.
Innerhalb der experimentellen Untersuchungen wurde der substanzielle Einfluss des Kraftschlusses und der realisierten Stützwirkung des Nietelements auf dem FKV im Hinblick auf das Schädigungs- und Versagensverhaltens identifiziert. Darüber hinaus wurden Zusammenhänge in Bezug auf das lokale Beanspruchungsverhalten der Stanznietverbindungen abgeleitet, wodurch in unterschiedlichen Lastbereichen eine Einschätzung der Verbindungspotenziale ermöglicht werden konnte.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Ermüdungsfestigkeit halbhohlstanzgenieteter FKV-Metall-Hybridverbindungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19635BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 547 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The increased demands on structural lightweight construction have brought fiber-reinforced plastics (FRP) into focus due to their excellent weight-specific properties. Efficient joining in an innovative multi-material design is one of many challenges for the use of these materials in large scale production, which is why self-piercing riveting was selected as a joining method within the research project.
For the qualification of FRP-aluminum joints for practical application, however, various boundary conditions have to be taken into account so that a safe use of this joining technology can be enabled. These range from the knowledge of material potentials of the FRP materials to the joint patterning and the resulting mechanical joint properties, especially under fatigue load.
The characterization of the mechanical properties as well as of the load bearing behavior of the used thermoset and thermoplastic FRP materials was also carried out as a basic investigation within the project. The experimental test results could reveal load and processing dependent properties of the FRP materials.
To evaluate the sensitivity of self-piercing riveting joints under quasi-static and fatigue loading, the damage mechanisms of the FRP as well as the aluminum sheets had to be taken into consideration.
A significant gain of information for the analysis and evaluation of the damage behavior of the joints was achieved by the use of optical measurement technology based on Digital-Image-Correlation (DIC). This allowed for the first time the evaluation of the damage behavior for self-piercing riveted joints on the basis of the rivet inclination during the quasi-static as well as cyclic shear tensile test.
Within the experimental investigations the substantial influence of the friction locked connection and the realized supporting effect of the rivet element on the FRP with regard to the damage and failure behavior was identified. In addition, correlations were derived with regard to the local stress behavior of the self-piercing riveted joints, which enabled an assessment of the joint potential in different load ranges.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel des Forschungsvorhabens
1.3 Lösungsansatz
2 Mechanische Eigenschaften von stanzgenieteten Verbindungen mit FKV und Aluminium
2.1 Tragverhalten unter quasistatischer Belastung
2.2 Tragverhalten unter zyklischer Belastung
2.3 Stand der Technik
3 Theoretische Grundlagen
3.1 Versagensmechanismen mechanisch gefügter FKV- und Aluminium-Fügeteile
3.2 Zyklische Werkstoff- und Verbindungsprüfung
4 Mechanisch-technologische Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe
4.1 FKV-Werkstoffe
4.1.1 Mediale Konditionierung – FKV-Feuchte
4.1.2 Fügeteileigenschaften
4.2 Aluminium-Grundwerkstoffe
5 Schädigungs- und Versagensmechanismen der FKV-Fügeteile unter Lochleibungsbeanspruchung
5.1 Versuchsübersicht und Probenherstellung
5.2 Lochleibung infolge quasistatischer Belastung
5.3 Lochleibung infolge zyklischer Belastung
5.3.1 Schädigungsevolution bei gebohrten FKV-Fügeteilen
5.3.2 Schädigungsevolution bei gestanzten FKV-Fügeteilen – Einstufenversuch
5.4 Ergebnisüberblick und -bewertung
6 Verbindungsgestaltung
6.1 Elementares Stanznieten mittels HSN
6.2 Elementares Stanznieten mittels SBV-Stanzniet
6.3 Elementares Kleben und Hybridfügen
7 Tragverhalten von FKV-Metall-Verbindungen unter quasistatischer Scherzugbelastung
7.1 Versuchskonzept
7.2 Schädigungsverhalten der Referenzverbindung unter quasistatischer Belastung
7.3 Auswirkungen diverser Einflussfaktoren auf das Verbindungstragverhalten
7.3.1 Einfluss des Fügeelements
7.3.2 Einfluss der Fügeteildicken
7.3.3 Einfluss des FKV-Fügeteilwerkstoffs
7.3.4 Einfluss der Verbindungsausführung
7.4 Ergebnisüberblick und -bewertung
8 Tragverhalten von FKV-Metall-Verbindungen unter zyklischer Scherzugbelastung
8.1 Versuchskonzept
8.2 Zyklisches Schädigungsverhalten der Referenzverbindung
8.3 Kriterien der Bruchauswertung
8.4 Auswirkungen diverser Einflussfaktoren auf das Verbindungstragverhalten
8.4.1 Einfluss des Fügeelements
8.4.2 Einfluss der Fügeteildicken
8.4.3 Einfluss des FKV-Fügeteilwerkstoffs
8.4.4 Einfluss der Beanspruchungssituation
8.4.5 Einfluss der Feuchte
8.4.6 Einfluss der Prüfrandbedingung
8.4.7 Einfluss der Verbindungsausführung
8.5 Ergebnisüberblick und -bewertung
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
