Das Bestreben nach Leichtbau in der Karosserieentwicklung ergibt wachsendes Potenzial für den Einsatz von Aluminiumwerkstoffen wozu neue Techniken zur Verbindung von Aluminiumbauteilen wie auch Hybrid-Strukturen aus Stahl- und Aluminiumbauteilen erforderlich sind. Ein geeignetes punktförmiges Fügeverfahren ist das Stanznieten mit Halbhohlstanzniet. Zur effizienten Beurteilung der Stanznietverbindungen in der Simulation hinsichtlich Steifigkeit und Betriebsfestigkeit wird der netzunabhängige Ansatz für die Stanznietverbindung verwendet. Dieser ist aufbauend auf dem netzunabhängigen Simulationsverfahren für Schweißpunkte entwickelt, welches sich vielfach in der Praxis bewährt hat. Damit werden die globalen und lokalen Steifigkeiten in ausreichender Weise abgebildet und die lokalen Beanspruchungen für die Lebensdauerabschätzung auf Basis der örtlichen Beanspruchung ermittelt. Die korrekte Abbildung der Hauptbeanspruchungsarten punktförmiger Verbindungen wie Schälzug bzw. Kopfzug und Scherzug ist das entscheidende Kriterium in der Modellvalidierung. Die netzunabhängige Stanznietverbindung wird im FE- Modell als Steifigkeitsmodell in Form von Balken- und Hexaederelementen abgebildet. Die Elemente des Steifigkeitsmodells werden zusätzlich in das FE-Karosserie-Gesamtmodell eingebracht und über geometrische Bindungen an die Fügepartner gekoppelt. Diese Koppelelemente berücksichtigen die Ansatzfunktionen der Schalenelemente, dadurch wird ein freier Knoten an der Oberfläche der FE- Struktur so an diese gekoppelt, als wäre er ein Teil der Oberfläche. Die FE- Modelle der Bauteile bleiben dabei völlig unverändert. Liegt die Information der Fügestellen als Datei vollständig vor, kann die Modellierung aller Stanznietverbindungen einer Karosserie automatisiert innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden. Zur Lebensdauerabschätzung wird zunächst auf Basis des Kraftflusses über die Stanznietverbindung die lokale Fügelementbeanspruchung errechnet. Dazu werden die im Karosserie- Gesamtmodell ermittelten Kräfte auf die in einer Stanznietverbindungsdatenbank abgelegten 48 Einheitslastfälle aufgeteilt. Die Einheitslastfälle dieser Datenbank sind an Parametermodellen ermittelt, die auf Basis einer nichtlinearen Umformsimulation des Stanznietvorganges erstellt wurden. Wesentliche Parameter der Datenbank sind neben den Blechdicken der zu verbindenden Bauteile die geometrische Gestalt der Verbindung und des Stanznietes, die Werkstoffe des Stanznietes und der zu verbindenden Bleche. Daraus kann für jeden Zeitpunkt des Last-Zeitverlaufs durch Überlagerung der Einheitslastfälle aus der Stanznietverbindungsdatenbank der zeitliche Verlauf der Beanspruchungen an der Stanznietverbindung errechnet werden. Die anschließende Lebensdauerabschätzung erfolgt unter Verwendung des Modifizierten Kritischen Schnittebenenverfahrens. Die Beurteilung der Werkstoffermüdung erfolgt mittels Rainflowanalyse, Schadensakkumulationshypothese und Berücksichtigung des Werkstoffverhaltens (wie Mikro- und Makrostützwirkung, Mittelspannungseinfluss). Das vorgestellte Verfahren wird bezüglich Steifigkeitsverhalten und Werkstoffermüdung Versuchsergebnissen gegenübergestellt.

    The demand on light weight design in car body development shows a growing potential for use of aluminium materials and therefore new joining techniques to connect aluminium or mixed steel and aluminium components are necessary. A suitable joining technique is the self piercing riveting. For an efficient simulation of stiffness and operational strength behaviour the node independent self piercing riveting model is used. This model is developed based on the node independent spot weld model which has been proven in practice. Global and local stiffness are modelled in a proper way and it is possible to determine the local stresses needed for the fatigue life estimation. The correct description of main load types of spot-wise joints - peel tension, cross tension and shear tension - is the main criterion in the model validation. The node independent self piercing riveting (stiffness model) is modelled with beam and hexahedron elements in the finite element car body model. The elements of the stiffness model are additionally applied to the FE model of the components and are coupled with geometric connectors to elements of the component. These coupling elements consider the element shape function of the related shell elements, that means all nodes of the coupling elements are treated as being a part of the surface. The FE models of the components have not to be changed at all. If all design information of the joints is available as a dataset, it is possible to model all joints of a car body within a few minutes. For the fatigue life estimation the local stress of the self piercing rivet is calculated based on the forces on the joining element. The forces from the total car body model are determined and distributed among the 48 unit load cases in the database of the self piercing rivets. These unit load cases are determined using parameter models derived from nonlinear simulations of the self piercing riveting process. Main parameters of the database are the sheet thicknesses, the geometry of the joining element and the self piercing rivet as well as the materials of the self piercing rivet and the sheets. For any time step of the load time history the stress time history can be calculated by superposition of the unit load cases of the database of the self piercing riveted joints. In the fatigue life estimation the modified critical cutting plane method is used in combination with the rainflow analysis, damage accumulation hypothesis and the consideration of the material behaviour (micro and macro support effect, mean stress influence, etc.). The simulation results regarding stiffness and fatigue obtained by the presented method has been verified with experimental results.


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    Title :

    Lebensdauerabschätzung von Stanznietverbindungen in der Karosserieentwicklung auf der Basis von lokalen Beanspruchungen und der netzunabhängigen Vernetzung


    Additional title:

    Fatigue life estimation of self piercing rivets in car body development based on local stresses using node independent meshing




    Publication date :

    2006


    Size :

    19 Seiten, 18 Bilder, 6 Quellen




    Type of media :

    Conference paper


    Type of material :

    Print


    Language :

    German






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