Analytisch basierte Auslegungsmethode für FKV/Metall-Mischverbindungen bei dynamisch/medialer Belastung
Verfasser:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h. c. Dr. h. c. Lothar Kroll, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nendel, M. Sc. Colin Gerstenberger, M. Eng. Tomasz Osiecki, Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung am Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz
110 Seiten - 74,00 EUR (sw, 35 teils farbige Abb., 27 Tab.)
ISBN 978-3-86776-614-2
Zusammenfassung
Durch die Kombination von modernen Stahl- und Aluminiumlegierungen mit hoch belastbaren Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), lassen sich besondere Leichtbaupotentiale für Struktur-baugruppen erschließen.
Derzeit fehlen für deren leichtbaugerechte Auslegung - insbesondere der konstruktiv bedingten Fügestellen – jedoch geeignete werkstoffgerechte Simulations- und Auslegungsmethoden, sodass oftmals eine Überdimensionierung vorliegt.
Vor allem die anisotropiespezifischen, inhomogenen dreidimensionalen Spannungszustände in der Umgebung der Fügezone stellen eine große Herausforderung bei der Auslegung von Mischverbindungen dar.
Zusätzlich wirken sich die beim Fügeprozess hervorgerufenen Eigenschaftsänderungen, in Folge von veränderten Faservolumenverteilungen, Faserverläufen oder Degradationen wie Faserbrüche oder Delaminationen, in hohem Maße auf die Tragfähigkeit der Fügepunkte aus.
Derartige Effekte lassen sich jedoch derzeit nicht mit vertretbarem Aufwand erfassen und im Modell abbilden. Eine spannungsbezogene Simulation der Fügepunkte, wie sie zum Beispiel bei der Auslegung von widerstandspunktgeschweißten Verbindungen angewendet wird, ist daher bei FKV/Metall-Mischverbindungen mit sehr großen Unsicherheiten behaftet.
Versagensmodelle für Faserverbunde, wie etwa Tensorpolynomansätze nach Tsai-Wu, Wu-Scheublein und Marin-Hoffmann sowie die neuen, physikalisch begründeten Bruchbedingungen nach Puck oder Cuntze, sind aufgrund hoher Spannungsgradienten im Fügegrund ebenfalls nicht anwendbar, da sie eine homogene Spannungsverteilung im Laminat voraussetzen.
Für die ingenieurmäßige Beschreibung der komplexen Fügebereiche auf Basis integraler Betrachtungen bei FKV/Metall-Mischbauweisen, bietet daher eine schnittreaktionsbezogene Auslegungsmethodik besondere Vorteile.
Aus diesem Grund wurde im Projekt am Beispiel thermomechanisch ausgeformter Verbindungen (TAF-Verbindungen) eine einfache und effiziente Methodik zur Erstellung eines anwendungsbezogenen Versagenskriteriums für punktförmige FKV/Metall-Mischverbindungen untersucht, welche neben quasistatischen Lasten auch mechanische Schwingbeanspruchungen und Einflüsse durch mediale Alterung (Korrosion) berücksichtigt.
Zur vollumfänglichen mathematischen Versagensbeschreibung wurden nach eingehender Parameterfindung für das TAF-Verfahren zunächst die material- und fügepunktspezifischen Tragfähigkeiten in Kopf-, Scher-, Schäl- und Torsionszugprüfungen ermittelt.
Anschließend erfolgte die Auswertung der Schnittreaktionen mittels Finite Elemente-Ersatzmodellen sowie die Ableitung entsprechender Versagenshypothesen und deren Validierung an bauteilähnlichen Mehrpunktprüfkörpern.
Im Projektverlauf zeigte sich die generelle Eignung der gewählten Methodik zur ingenieurmäßigen Beschreibung des Fügepunktversagens bei FKV/Metall-Mischbauweisen auf Basis der fügepunktinhärenten Schnittreaktionen.
Für quasistatische Belastungen weisen die Versagensprognosen eine gute Übereinstimmung mit den im Realversuch bestimmten Bruchlasten auf, wobei das Versagen der untersuchten Fügepunkt/Materialkombination geringfügig überschätzt wurde.
Auch für dynamische Belastungen wird das Versagen tendenziell richtig eingeordnet, dennoch treten zum Teil noch größere Abweichungen auf, die im Rahmen des Forschungsberichts diskutiert werden.
Darüber hinaus konnten zahlreiche Erkenntnisse zum Versagens- und Korrosionsverhalten thermomechanisch ausgeformter Verbindungen (TAF-Verbindungen) gewonnen werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht, wobei im Hinblick auf die Genauigkeit der Methodik neue Herausforderungen für weiterführende Forschungsarbeiten identifiziert wurden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Analytisch basierte Auslegungsmethode für FKV/Metall-Mischverbindungen bei dynamisch/medialer Belastung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19903BR 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. 557 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The combination of modern steel and aluminum alloys with highly stressable fiber-reinforced plastics (FRP) opens up special lightweight-potential for modern construction methods. But, at present, there is a lack of suitable material-specific simulation and design methods - in particular for the design-related joints - so that they are often overdimensioned.
In particular, the anisotropy-specific, inhomogeneous three-dimensional stress conditions in the vicinity of the joining zone represent a major challenge in the design of such joints.
In addition, changes in properties, caused by the joining process, e. g. altered fiber volume distributions, fiber realignments or degradations such as fiber and intermediate fiber breakage or delaminations have a major effect on the load-bearing capacity of the joining points.
However, such effects cannot be captured and modeled with reasonable effort, at the state of art. For this reason, a stress-related simulation of punctiform joints, as used for example in the design of resistance spot welded joints, causes uncertainties in the case of FRP/metal-joints.
Failure-models for fiber composites, such as tensor polynomial approaches according to Tsai-Wu, Wu-Scheublein and Marin-Hoffmann, as well as the new, physically based fracture conditions according to Puck or Cuntze, are also not applicable due to high stress gradients in the joining area, since the models assume a homogeneous stress distribution in the laminate.
For an efficient mathematical description of the complex joining failure on the basis of integral considerations for FRP/metal composite structures, a section-force-related design methodology offers particular advantages.
For this reason, a simple and efficient methodology was investigated in the project, using the example of flow drilled joints (FDJ) for the creation of an application-related failure criterion for point-type FRP/metal-mix joints, which, in addition to quasi-static loads, also takes into account fatigue loads and influences due to corrosion.
For a fully comprehensive mathematical description of the failure, the material- and joint-specific load-bearing capacities were determined, after detailed parameter determination for the TAF method were carried out, first.
This was followed by the evaluation of the section forces by means of finite element substitution-models and the derivation of corresponding failure hypotheses and their validation on multi-point test specimens, similar to structural components.
In the course of the project, the general suitability of the selected methodology for the ingenious description of the joint-failure in FRP/metal composite structures on the basis of their inherent section forces was demonstrated.
For quasi-static loads, the failure predictions show a good agreement with the experimentally determined failure loads, whereby the failure was slightly overestimated by the hypothesis.
For dynamic loads, the failure tends to be correctly classified, too, but in some cases there are still major deviations, which are discussed in the research report.
In summary, the objective of the project was achieved, although new challenges for further research were identified with regard to the accuracy of the methodology.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung und Zielstellung
2 Stand der Forschung
2.1 Leichtbau mit thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden und Metall
2.1.1 Einsatzfelder und Anwendungen
2.1.2 Punktförmige Fügeverbindungen für Metall/FKV-Mischbauweisen
2.2 Berechnung und Modellierung punktförmiger Fügeverbindungen
2.2.1 Auslegungskonzepte
2.2.2 Fügepunkt-Ersatzmodelle
2.3 Bewertung zum Stand der Forschung
3 Methodik und Versuchsplan
3.1 Methodik
3.2 Versuchsplan
4 Werkstoffe, Maschinen und Verfahren
4.1 Versuchswerkstoffe
4.1.1 HX420LAD+Z100
4.1.2 Celstran CFR-TP PA6 GF60/CF60
4.2 Fügeanlage
4.3 Prüfverfahren
4.3.1 Statische Prüfung
4.3.2 Dynamische Prüfung
4.3.3 Klimawechseltest nach VDA 621-415
4.4 Prüfkörper
5 Experimentelle Untersuchungen
5.1 Parameterbestimmung Thermomechanisches Ausformfügen
5.1.1 Metallspezifische Parameter
5.1.2 Kunststoffspezifische Parameter
5.2 Tragverhalten bei statischen Belastungen
5.2.1 Scherzugbelastung
5.2.2 Kopfzugbelastung
5.2.3 Überlagerte Scher- und Kopfzugbelastungen
5.2.4 Schälzugbelastungen
5.2.5 Torsionszugbelastungen
5.2.6 Überblick
5.2.7 Versagensbild
5.3 Tragverhalten bei zyklischen Belastungen
5.3.1 Vorbetrachtung
5.3.2 Unbewittert
5.3.3 Bewittert
6 Entwicklung eines schnittreaktionsbezogenen Versagenskriteriums
6.1 Finite Elemente Analyse der Fügeverbindungen
6.2 Berechnung der Versagensgleichungen (quasistatisch)
6.2.1 Ermittlung und Auswertung der Schnittreaktionen
6.2.2 Zusammenfassung der Schnittreaktionen
6.3 Berechnung der Versagensgleichungen (dynamisch)
6.4 Visualisierung der Versagensgleichungen
6.4.1 Bruchkörper (quasistatisch)
6.4.2 Bruchkörper (dynamisch)
7 Validierung der Versagensgleichungen
7.1 Prüfkörper
7.1.1 Probenform
7.1.2 Prüfvorrichtung
7.1.3 Modellierung des Hutprofilprüfkörpers
7.2 Versagensabschätzung
7.2.1 Prüfplan
7.2.2 Berechnung der Versagenslasten
7.2.3 Gegenüberstellung Prognose und Experiment
7.2.4 Diskussion der Ergebnisse
8 Ergebnisse und Ausblick
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen für KMU
9 Literatur
