Methodenentwicklung zur Auslegung mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung
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- Victor Beck
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1 Methodenentwicklung zur Auslegung mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.) der Fakultät Maschinenbau der Universität Paderborn genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Matthias Peter Wißling aus Ahlen/Westfalen Tag des Kolloquiums: Referent: Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Matthias Niemeyer
2 Seite ii Inhaltsverzeichnis
3 Berichte aus dem Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Band 78 Ortwin Hahn Matthias Wißling Methodenentwicklung zur Auslegung mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2008
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Teilergebnisse dieser Arbeit sind in folgenden Veröffentlichungen erschienen: Hahn, O.; Wißling, M.: An Investigation on Mechanically Fastened Joints: Modelling for Crash Simulation and Testing; Proceedings of 11 th NAFEMS World Congress, ISBN , Mai 2007, Vancouver (Kanada), 2007 Hahn, O.; Wißling, M.: Charakterisierung und praxisnahe Ersatzmodellierung des Versagensverhaltens von stanzgenieteten Stahlblechverbindungen; Tagungsunterlagen zum 7. Stahl-Symposium: Werkstoffe, Anwendung, Forschung Simulation als Werkzeug zur Verarbeitung von Stahlfeinblech, Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), 25. April 2007, Düsseldorf, 2007 Hahn, O.; Wißling, M.: Kennwertermittlung und Simulationsmodell für mechanisch gefügte Verbindungen unter Crashbelastung; Tagungsband (T 27) des EFB- Kolloquiums Blechverarbeitung: Neue Wege zum wirtschaftlichen Leichtbau Innovative Lösungen zur Blechumformung und mechanischen Fügetechnik, Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e. V. (Hg.), ISBN , März 2007, Fellbach (Stuttgart), 2007 Hahn, O.; Wißling, M.; Bye, C.: Innovative mechanische Fügeverfahren im Schienenfahrzeugbau; Tagungsband zur 7. Fachtagung Fügen und Konstruieren im Schienenfahrzeugbau, S , Mai 2007, Halle (Saale), 2007 Hahn, O.; Wißling, M.: Mechanical Joints under Crash Load Experimental Characteristic Data Acquisition, Simulation with Field Related Placeholder Models and Validation on Component Level; Proceedings of European Automotive Innovation Conference, Module I: InnoCarBody Innovative Concepts and Processes for Car Body Engineering, S , Juni 2007, Bad Nauheim (Frankfurt), 2007 Hahn, O.; Wißling, M.: Leichtbau erfordert Crashsicherheit Erforschung innovativer Fügetechniken für den modernen Leichtbau; Intelligenter Produzieren: Leichtbau Herausforderungen für die moderne Produktionstechnik, VDMA Verlag, 2007/3, S , 2007 Hahn, O.; Wißling, M.: Sheet Metal Joints at Crash Condition From Experimental Parameter Determination to FE-Simulation of Vehicle Constructions at Crash Condition; Proceedings BLECHbusiness 2007: Technologies to Maximise Productivity in Sheet Metal Working, ISBN , S , November 2007, Warschau (Polen), 2007 Hahn, O.; Wißling, M.; Donat, B.: Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanisch gefügter Verbindungen in Schienenfahrzeugen; Öffentlicher Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben AiF-Nr BG, EFB- Forschungsbericht Nr. 275, Hannover, 2007
6 Seite II Inhaltsverzeichnis
7 Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Angestellter am Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) in der Fakultät Maschinenbau der Universität Paderborn. Mein besonderer Dank gilt dem Institutsleiter Herrn Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn für die Anregungen zu dieser Arbeit sowie für die fachliche und persönliche Unterstützung. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Matthias Niemeyer möchte ich mich für die Übernahme des Korreferates sowie den konstruktiven Rat bedanken. Außerdem möchte ich allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des LWF für die freundschaftliche und produktive Zusammenarbeit danken. Meinen Eltern danke ich dafür, dass sie mir durch ihre Unterstützung und ihr Vertrauen den beschrittenen beruflichen Werdegang ermöglicht haben. Paderborn, im Januar 2008 Matthias Wißling
8 Seite II Inhaltsverzeichnis
9 Inhaltsverzeichnis Seite I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand der Erkenntnisse Mechanische Fügeverfahren Stanznieten mit Vollniet Blindnieten Fügen mit Schließringbolzen Kennwertermittlung bei schlagartiger Belastung Modellierung von Bauteilverbindungen in der Crashsimulation Zielsetzung Prüfverfahren und Versuchseinrichtungen Ermittlung von Werkstoffkennwerten Probengeometrie Versuchsdurchführung Ermittlung von Verbindungskennwerten Probengeometrie Versuchsdurchführung Lokale Messwerterfassung Ermittlung des Tragverhaltens einer bauteilähnlichen Probe Probengeometrie Versuchsdurchführung Fügeteilwerkstoffe und Verbindungselemente Fügeteilwerkstoffe Stahlblechwerkstoff S355MC Stahlblechwerkstoff X5CrNi Verbindungselemente Vollstanzniet Blindniet Schließringbolzen Experimentelle und numerische Voruntersuchungen Experimentelle Voruntersuchungen Numerische Voruntersuchungen Lösungsalgorithmus FE-Analyse des Prüfstandes Weiterentwicklung der Prüfvorrichtung auf Basis der FE-Analyse...61
10 Seite II Inhaltsverzeichnis 7 Charakterisierung des Werkstoff- und Verbindungsverhaltens Werkstoffkennwerte in Abhängigkeit der Dehnrate Verbindungskennwerte in Abhängigkeit der Belastungsgeschwindigkeit Verbindungskennwerte bei quasistatischer Belastung Methoden zur Verformungsmessung Charakterisierung des Tragverhaltens nach Fügeverfahren, Belastungsrichtung und Fügeteilwerkstoff Verbindungskennwerte bei schlagartiger Belastung Methoden zur Versuchsdurchführung Charakterisierung des geschwindigkeitsabhängigen Tragverhaltens Simulationsmethode für mechanisch gefügte Verbindungen Aufbau des Fügepunkt-Ersatzmodells Parameterbestimmung des Fügepunkt-Ersatzmodells Simulation der Experimente an KS-II Probe Kalibrierung des Ersatzmodells an KS-II Probe Validierung des Vorgehens an bauteilähnlicher Probe Simulation der Experimente an bauteilähnlicher Probe Vergleich zwischen Simulation und Experiment Zusammenfassung Literatur...135
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