TY - THES

T1 - Numerische Bewertung der Schwingfestigkeit geschraubter Blechbauteile

AU - Pöllinger, Robert

N1 - gesperrt bis 13-10-2020

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Schraubverbindungen werden aufgrund ihrer leichten Montier- und Lösbarkeit häufig für die Verbindung von Anbauteilen wie Batterien, Behälter etc. im Automobilbau eingesetzt. Ein Versagen der Verbindung tritt dabei nicht immer in den Verbindungselementen ein. Besonders bei dünnen Blechen mit einer Dicke von t = 0,8 mm - 1,5 mm, welche häufig im Karosseriebau eingesetzt werden, stellt der Anriss an Randbereichen der Auflageflächen von Verschraubungen zu den Bauteilen ein häufiges Bauteilversagen dar. Für die numerische Simulation der Karosserie werden bestimmte Richtlinien benötigt, um eine Finite-Elemente-Modellierung schnell und idealerweise automatisiert durchzuführen. Dabei spielt die Vernetzung in und um Verschraubungsstellen eine wichtige Rolle. Für die Untersuchung wurden Schalenmodelle einfacher Scher- und Kopfzugmodelle nach Modellierungsvorgabe vorhandener Vernetzungsrichtlinien und 3D-Referenzmodelle mit sehr feiner Diskretisierung modelliert und berechnet. Die auftretenden Schädigungen, welche mit der Lebensdaueranalyse-Software FEMSITE auf Basis der Spannungen aus der FE-Berechnung dehnungsbasiert berechnet wurden, sind mit Versuchsergebnissen aus der Literatur sowie den Schädigungsergebnissen der fein vernetzten 3D-Referenzmodellen validiert worden. Durch den Vergleich der Richtlinien konnte eine Vernetzungsrichtlinie gefunden werden, die den geforderten Anforderungen bezüglich Genauigkeit der Abschätzung und Einfachheit der Umsetzung entspricht. Die Schädigungsergebnisse der entwickelten Richtlinie bei verschiedenen Blechdicken und Werkstoffen zeigten mit den Schalenmodellen der Kopf- und Scherzugproben eine sehr gute Übereinstimmung mit Schädigungsergebnissen der linear berechneten 3D-Referenzmodelle. Durch die numerische Untersuchung der Schraubenkopfgeometrie mithilfe des 3D-Referenzmodells konnte anhand der Scherzugversuche gezeigt werden, dass die Fertigungstoleranz des Schraubenkopfs einen deutlichen Einfluss auf den Ort der maximalen Schädigung hat. Weiters konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Vorspannung, sofern der Reibschluss zwischen den Bauteilen aufrechterhalten wird, vernachlässigbar auf das Schädigungsergebnis ist. Der Einfluss des linearisierten Kontakts, bei dem benachbarte Elementknoten über die gesamte Berechnung geschlossen bleiben, beeinflusst das Schädigungsergebnis viel mehr. Der Einfluss der Reibkorrosion und der Wärmeeinfluss durch das Aufschweißen der Mutter konnte mittels der 3D-Referenzmodelle numerisch weder widerlegt noch bestätigt werden. Für die Klärung sind weitere Versuche an Bauteilen notwendig. Für die Überprüfung der entwickelten Vernetzungsrichtlinie an einem umfangreichen Modell der Praxis wurde ein Rahmen eines Energiespeichermoduls mit einer Blechdicke von t = 1,8 mm und dem Werkstoff DC04 ausgewählt, da dort ein Anriss nach 5,3 Stunden am Schwingtisch nach vorgegebenen Beschleunigungs-Zeit-Verlauf mit einer Gesamtlaufzeit von 120 Stunden entstand. Durch die seit längerer Zeit eingesetzte Standardvernetzung mit Abaqus S4R-Elementen bzw. S4-Elementen und einer nichtlinearen Berechnung konnte kein Versagen bzw. ein Versagen nur im späten Prüfungsverlauf vorausgesagt werden. Durch den Einsatz der entwickelten Richtlinie an diesem Rahmen konnte eine deutliche Verbesserung der Voraussage des Ortes und des Zeitpunktes des Bauteilversagens erzielt werden.

AB - Schraubverbindungen werden aufgrund ihrer leichten Montier- und Lösbarkeit häufig für die Verbindung von Anbauteilen wie Batterien, Behälter etc. im Automobilbau eingesetzt. Ein Versagen der Verbindung tritt dabei nicht immer in den Verbindungselementen ein. Besonders bei dünnen Blechen mit einer Dicke von t = 0,8 mm - 1,5 mm, welche häufig im Karosseriebau eingesetzt werden, stellt der Anriss an Randbereichen der Auflageflächen von Verschraubungen zu den Bauteilen ein häufiges Bauteilversagen dar. Für die numerische Simulation der Karosserie werden bestimmte Richtlinien benötigt, um eine Finite-Elemente-Modellierung schnell und idealerweise automatisiert durchzuführen. Dabei spielt die Vernetzung in und um Verschraubungsstellen eine wichtige Rolle. Für die Untersuchung wurden Schalenmodelle einfacher Scher- und Kopfzugmodelle nach Modellierungsvorgabe vorhandener Vernetzungsrichtlinien und 3D-Referenzmodelle mit sehr feiner Diskretisierung modelliert und berechnet. Die auftretenden Schädigungen, welche mit der Lebensdaueranalyse-Software FEMSITE auf Basis der Spannungen aus der FE-Berechnung dehnungsbasiert berechnet wurden, sind mit Versuchsergebnissen aus der Literatur sowie den Schädigungsergebnissen der fein vernetzten 3D-Referenzmodellen validiert worden. Durch den Vergleich der Richtlinien konnte eine Vernetzungsrichtlinie gefunden werden, die den geforderten Anforderungen bezüglich Genauigkeit der Abschätzung und Einfachheit der Umsetzung entspricht. Die Schädigungsergebnisse der entwickelten Richtlinie bei verschiedenen Blechdicken und Werkstoffen zeigten mit den Schalenmodellen der Kopf- und Scherzugproben eine sehr gute Übereinstimmung mit Schädigungsergebnissen der linear berechneten 3D-Referenzmodelle. Durch die numerische Untersuchung der Schraubenkopfgeometrie mithilfe des 3D-Referenzmodells konnte anhand der Scherzugversuche gezeigt werden, dass die Fertigungstoleranz des Schraubenkopfs einen deutlichen Einfluss auf den Ort der maximalen Schädigung hat. Weiters konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Vorspannung, sofern der Reibschluss zwischen den Bauteilen aufrechterhalten wird, vernachlässigbar auf das Schädigungsergebnis ist. Der Einfluss des linearisierten Kontakts, bei dem benachbarte Elementknoten über die gesamte Berechnung geschlossen bleiben, beeinflusst das Schädigungsergebnis viel mehr. Der Einfluss der Reibkorrosion und der Wärmeeinfluss durch das Aufschweißen der Mutter konnte mittels der 3D-Referenzmodelle numerisch weder widerlegt noch bestätigt werden. Für die Klärung sind weitere Versuche an Bauteilen notwendig. Für die Überprüfung der entwickelten Vernetzungsrichtlinie an einem umfangreichen Modell der Praxis wurde ein Rahmen eines Energiespeichermoduls mit einer Blechdicke von t = 1,8 mm und dem Werkstoff DC04 ausgewählt, da dort ein Anriss nach 5,3 Stunden am Schwingtisch nach vorgegebenen Beschleunigungs-Zeit-Verlauf mit einer Gesamtlaufzeit von 120 Stunden entstand. Durch die seit längerer Zeit eingesetzte Standardvernetzung mit Abaqus S4R-Elementen bzw. S4-Elementen und einer nichtlinearen Berechnung konnte kein Versagen bzw. ein Versagen nur im späten Prüfungsverlauf vorausgesagt werden. Durch den Einsatz der entwickelten Richtlinie an diesem Rahmen konnte eine deutliche Verbesserung der Voraussage des Ortes und des Zeitpunktes des Bauteilversagens erzielt werden.

KW - Numerische Bewertung

KW - Schwingfestigkeit

KW - Blechbauteile

KW - Finite-Elemente-Methode

KW - Lebensdauerberechnung

KW - Vernetzungsrichtlinie

KW - Schraubverbindungen

KW - numerical evaluation

KW - fatigue behaviour

KW - thin metal sheets

KW - bolted connection

KW - finite-element-method

M3 - Masterarbeit

ER -