Analytische Auslegung der Schwingfestigkeit geclinchter Verbindungen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Eduard Unruh, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn
118 Seiten - 90,00 EUR (sw, 74 teils farbige Abb., 11 Tab.)
ISBN 978-3-86776-621-0
Zusammenfassung
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Mittelspannungsempfindlichkeit von geclinchten Verbindungen experimentell charakterisiert. Dabei wurden unterschiedliche Materialkombinationen für das Rundpunktclinchen ohne Schneidanteil sowohl mit starrer als auch geteilter Matrize betrachtet.
Im Zuge von experimentellen Untersuchungen wurde dazu die Verbindungstragfähigkeit unter quasistatischer und unter zyklischer Lasteinleitung bestimmt. Darüber hinaus wurde der Einfluss variierender Beölungszustände zwischen den Fügeteilen auf das Tragverhalten von geclinchten Verbindungen ebenfalls unter quasistatischer und zyklischer Lasteinleitung untersucht.
Weiterhin wurde die Anwendbarkeit unterschiedlicher Ansätze zur funktionalen Beschreibung des Zusammenhangs von statischer Mittelspannung und zyklischer Spannungsamplitude für die Abschätzung der Dauerfestigkeit geclinchter Verbindungen nachgewiesen.
Weiterhin wurde in Anlehnung an die Methoden der FKM-Richtlinie für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Bauteilen die Grundlage für eine Methodik zur rechnerischen Auslegung der Schwingfestigkeit von Clinchverbindungen erarbeitet. Zu diesem Zweck wurden Fügeprozesssimulationen und Belastungssimulationen für die untersuchten Verbindungen durchgeführt, um örtliche Beanspruchungen in den Verbindungen abzuschätzen.
Durch die Ergebnisse aus diesem Projekt kann die Schwingfestigkeit geclinchter Verbindungen durch den Anwender anhand bestehender Ansätze abgeschätzt werden. Weiterhin bietet die erarbeitete Berechnungsmethodik einen analytischen Ansatz zur Verbindungsauslegung. Dadurch können Versuchsaufwände und somit Kosten für den Anwender reduziert und die Ressourceneffizienz bei der Bauteilentwicklung gesteigert werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Analytische Auslegung der Schwingfestigkeit geclinchter Verbindungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19546N 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. 564 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Within the scope of the research project, the mean stress sensitivity of clinched joints was characterized experimentally. Different material combinations for round point clinching without cutting were investigated, both with rigid and split dies. In the course of experimental investigations, the load capacity of the joints was determined under quasi-static and cyclic loading.
The influence of varying oiling conditions between the joining parts on the load capacity of the clinched joints was investigated also under quasi-static and cyclic loading. Furthermore, the applicability of different approaches for the functional description of the correlation between static mean stress and cyclic stress amplitude for the estimation of the fatigue strength of clinched joints was shown.
In addition, the basis for a mathematical method for the design of the fatigue strength of clinched joints was developed in analogy to the methods of the FKM guideline for the fatigue strength verification of components. For this purpose, joining process simulations and load simulations were carried out for the joints investigated in order to estimate local stresses in the joints.
The results from this project allow the fatigue strength of clinched joints to be estimated by the user on the basis of existing approaches. Furthermore, the mathematical method developed provides an analytical approach to joint dimensioning. As a result, testing efforts and thus costs for the user can be reduced and resource efficiency in component development can be increased.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Technische Grundlagen zum mechanischen Fügen
2.1.1 Clinchen
2.1.2 Halbhohlstanznieten
2.2 Grundlagen zur Untersuchung und Beschreibung der Schwingfestigkeit
2.3 Mittelspannungseinfluss von Werkstoffen und Verbindungen
2.4 Auslegungsverfahren
2.4.1 Eurocode
2.4.2 FKM-Richtlinie
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Fügeteilwerkstoffe und Material-Dicken-Kombinationen
3.1.1 Stahlblechwerkstoff DC04
3.1.2 Aluminiumblechwerkstoff EN AW-6016 (AlSi1,2Mg0,4)
3.1.3 Aluminiumdruckgusslegierung AlSi9MnMoZr
3.1.4 Untersuchte Verbindungen
3.2 Verwendete Fügevorrichtungen
3.2.1 Fügevorrichtung zum Clinchen mit geteilter Matrize
3.2.2 Fügevorrichtung zum Clinchen mit starrer Matrize
3.3 Verwendete Probengeometrien
3.3.1 Flachzugproben
3.3.2 LWF-KS-2-Probe
3.3.3 Einfach überlappte Scherzugprobe
3.4 Verwendete Prüfanlagen
3.4.1 Universalprüfmaschine Zwick Z100
3.4.2 Resonanzpulser RUMUL Mikroton 20 kN
3.5 Bemusterung der Fügeverbindungen
4 Werkstoff- und Verbindungscharakterisierung unter quasistatischer Lasteinleitung
4.1 Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung unter quasistatischer Lasteinleitung
4.2 Ergebnisse der Verbindungscharakterisierung unter quasistatischer Lasteinleitung für mit starrer Matrize geclinchte Verbindungen
4.3 Ergebnisse der Verbindungscharakterisierung unter quasistatischer Lasteinleitung für mit geteilter Matrize geclinchte Verbindungen
4.4 Einfluss variierender Reibverhältnisse zwischen den Fügeteilen auf die Verbindungsfestigkeit unter quasistatischer Lasteinleitung
4.4.1 Einfluss des Beölungszustandes auf den Fügeprozess
4.4.2 Einfluss des Beölungszustandes auf die Verbindungstragfähigkeit
5 Werkstoff und Verbindungscharakterisierung bei zyklischer Lasteinleitung
5.1 Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung bei zyklischer Lasteinleitung
5.2 Ergebnisse der Verbindungscharakterisierung bei zyklischer Lasteinleitung
5.2.1 Ergebnisse der Charakterisierung der mit starrer Matrize geclinchten Verbindungen bei zyklischer Lasteinleitung
5.2.2 Ergebnisse der Charakterisierung der mit geteilter Matrize geclinchten Verbindungen bei zyklischer Lasteinleitung
5.2.3 Vergleich der Verbindungstragfähigkeit beim Clinchen und beim Halbhohlstanznieten unter zyklischer Lasteinleitung
5.2.4 Einfluss variierender Reibverhältnisse zwischen den Fügeteilen auf die Verbindungstragfähigkeit bei zyklischer Lasteinleitung
5.3 Gegenüberstellung der Neigungsexponenten der Wöhlerlinien
5.3.1 Clinchen mit starrer Matrize
5.3.2 Clinchen mit geteilter Matrize
6 Darstellung des Mittelspannungseinflusses im Dauerfestigkeitsschaubild nach Haigh
6.1 Dauerfestigkeitsschaubilder nach Haigh für mit starrer Matrize geclinchte Verbindungen
6.2 Dauerfestigkeitsschaubilder nach Haigh für mit geteilter Matrize geclinchte Verbindungen
7 FE-Modellierung der Verbindungen
7.1 FE-Modelle und Ergebnisse der 2D-Prozesssimulation
7.2 FE-Modell der Belastungssimulation zur Abschätzung örtlicher Spannungsmaxima
8 Berechnungsmethodik für die analytische Auslegung geclinchter Verbindungen unter zyklischer Belastung
8.1 Ablauf des Ermüdungsfestigkeitsnachweises
8.1.1 Berechnung der Werkstoff-Wechselfestigkeit sW
8.1.2 Berechnung der Verbindungs-Wechselfestigkeit sWK
8.1.3 Berechnung der Amplitude der Verbindungs-Dauerfestigkeit
8.1.4 Berechnung der Verbindungs-Betriebsfestigkeit
8.2 Analytische Auslegung der Clinchverbindungen unter zyklischer Belastung mit Hilfe der Berechnungsmethodik
8.2.1 Analytische Auslegung für das Clinchen mit starrer Matrize
8.2.2 Validierung der Berechnungsmethodik
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
10 Literaturverzeichnis
10.1 Normen und Richtlinien
