Schwingfestigkeit durch Einpressen erzeugter Blechabschnitte
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Dr.-Ing. Christian Denkert, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - Prof. Dr.-lng. habil. Markus Kästner, Dr.-Ing. Melanie Fiedler, Dr.-lng. Dietmar Süße, Dipl.-Ing. David Kühne, Institut für Festkörpermechanik, Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik, Technische Universität Dresden
374 Seiten - 125,00 EUR (sw, 289 teils farbige Abb., 54 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-648-7
Zusammenfassung
In diesem AiF/IGF Forschungsvorhaben wurde erstmals der Einfluss umformtechnisch gefügter Pressbolzen auf die Ermüdungsbeanspruchbarkeit des Trägerbauteils bzw. der Unterstruktur untersucht. Die Ermüdungsfestigkeit wurde für praxisrelvante Konfigurationen und Ausführungen experimentell ermittelt und anschließend Nennspannungswöhlerlinien abgeleitet.
Anhand der vorliegenden Kerbfälle und Dauerfestigkeiten sowie der Nennspannungswöhlerlinien sind umformtechnisch gefügte Pressbolzenverbindungen nach dem Nennspannungskonzept bewertbar.
Hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit wurde zusätzlich die im Hubzündungsverfahren hergestellte Schweißbolzenverbindung berücksichtigt. Ausgehend von den experimentellen Untersuchungen wurde zusätzlich der Verfahrensablauf durch eine Umformsimulation abgebildet. Im folgenden Schritt wurden verschiedene Modelle in Lastsimulationen verifiziert und verglichen.
Umfangreiche numerische Untersuchungen ermöglichten anschließend die Entwicklung von Ersatzmodellen aus Volumen- und Schalenmodellen für FE-Berechnungen. Die so entwickelten Modelle bildeten die Basis für Untersuchungen zum Strukturspannungskonzept. Die dabei bestimmten optimierten Stützstellen verbesserten die Treffsicherheit der Berechnungskonzepte deutlich im Vergleich zum klassischen Nennspannungskonzept.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Schwingfestigkeit durch Einpressen erzeugter Blechabschnitte" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20475BR 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. 589 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In this AiF/IGF research project the influence of formed press studs on the fatigue strength of the carrier component or the support structure was investigated for the first time. The fatigue strength was determined experimentally for configurations and designs relevant to practice and Wöhler-curves for nominal stress were then derived.
Based on the available fatigue strengths as well as the nominal Wöhlercurves, cold formed pressbolt joints can be verified according to the nominal stress concept. With regard to the fatigue strength, the welded stud joints manufatured using the drawn arc ignition method was also taken into account. Based on the experimental investigations, the process sequence was additionally mapped by a forming simulation.
Extensive numerical investigations subsequently enabled the development of substitute models from solid and shell models for FE calculations. The models developed in this way formed the basis for investigations into the structural stress concept. The optimized support points determined in the process significantly improved the accuracy of the calculation concepts compared to the classic nominal stress concept.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Nomenklatur
Bildverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung
2 Stand der Kenntnisse
2.1 Pressbolzen
2.2 Bemessung geschraubter Verbindungen
2.3 Ermüdungsfestigkeitskonzepte
2.3.1 Geschweißte Bauteile
2.3.2 Nennspannungskonzept
2.3.3 Strukturspannungskonzept
2.3.4 Kerbspannungskonzept
2.3.5 Nichtgeschweißte Bauteile
3 Werkstoffcharakterisierung
3.1 Zugversuche
3.2 Spektralanalyse
4 Experimentelle Untersuchungen
4.1 Drehmoment/Vorspannkraft-Versuche
4.1.1 Versuchsplan
4.1.2 Versuchsaufbau und -ablauf
4.1.3 Versuchsergebnis
4.2 Makroskopische Schliffbilder
4.3 Statische Traglastversuche
4.3.1 Versuchsplan
4.3.2 Versuchsaufbau und -ablauf
4.3.3 Versuchsergebnis
4.4 Schwingfestigkeitsuntersuchungen
4.4.1 Versuchsplan
4.4.2 Versuchsaufbau und -ablauf
4.4.3 Versuchsergebnisse
4.4.4 Diskussion der Schwingfestigkeitsergebnisse
4.5 Dehnungsermittlung mit DMS
4.5.1 Theoretische Grundlagen
4.5.2 Versuchsplan
4.5.3 Versuchsaufbau und -ablauf
4.5.4 Versuchsergebnis
4.6 Fraktographische Untersuchungen
4.6.1 Versuchsplan
4.6.2 Versuchsaufbau und -ablauf
4.6.3 Versuchsergebnis
4.7 Bauteilähnliche Probe
4.7.1 Vorbetrachtung
4.7.2 Versuchsplan
4.7.3 Versuchsaufbau und -ablauf
4.7.4 Versuchsergebnisse
5 Numerische Simulation
5.1 Umformsimulation
5.1.1 Übersicht der Umformsimulationen
5.1.2 Aufbau des Simulationsmodells und Preprocessing
5.1.3 Modellbildung
5.1.4 Pressprozess
5.1.5 Datenexport mittels ARCTOOL
5.1.6 Werkstoffparameter und Fließkurven
5.2 Traglastsimulation
5.2.1 Aufbau des Simulationsmodells und Preprocessing
5.2.2 Postprocessing
5.2.3 Einordnung der Ergebnisse
5.3 Ersatzmodell
5.3.1 Einleitung
5.3.2 Methodischer Ansatz
5.3.3 Volumenersatzmodell
5.3.4 Schalenersatzmodell
6 Anwendung des Strukturspannungskonzeptes
6.1 Einordnung des Strukturspannungskonzeptes
6.2 Einführung einer Master-Wöhlerlinie
6.3 Konsequente Anwendung des Strukturspannungskonzeptes in Analogie zu den Schweißnähten (IIW-Richtlinie)
6.4 Ansatz zur Identifikation der optimalen Stützstellen
6.4.1 Stützstellenoptimierung am Volumenersatzmodell
6.4.2 Stützstellenoptimierung am Schalenmodell
6.5 Einfluss der Diskretisierung
6.6 Ableitung einer Empfehlung zur Richtlinienerweiterung
6.7 Absicherung der Wöhlerlinie durch Berücksichtigung der Irrtumswahrscheinlichkeit
7 Validierung anhand des Dreipunktbiegeversuches
7.1 Abgeleitetes Konzept zur rechnerischen Auslegung
7.2 Modellierung und Randbedingungen
7.3 Ergebnisse
8 Gesamtergebnisse und Ausblick
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
9 Literaturverzeichnis
10 Anhang
10.1 Zugversuche
10.2 Spektralanalyse
10.3 Drehmoment/Vorspannkraft-Versuche
10.4 Zeitfestigkeitsversuche
10.5 Dauerfestigkeitsversuche
10.6 Dehnungsmessung
10.7 Makroschliffe
10.8 Ausführung A
10.9 Ausführung B
10.10 Ausführung C
10.11 Ausführung D
10.12 Ausführung E
