Der Karosseriebau ist zunehmend durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe in Mischbauweise gekennzeichnet, was zu einem Einsatz von mechanischen Fügeverfahren geführt hat. Hieraus resultieren die Zielsetzungen, die mechanischen Fügeverfahren in ihrer Effizienz und ihren Einsatzbereichen zu erweitern, sowie die Anzahl der Experimente zu reduzieren und Entwicklungszyklen zu verkürzen. Dies erfolgt mit Unterstützung der numerischen Simulation. Neben der Beschreibung des plastischen Verhaltens gilt es auch, das Schädigungsverhalten abzubilden. Der Fügeprozess bzw. die Fügerichtung erfolgt senkrecht zur Blechoberfläche und führt somit zu einem dreidimensionalen Zustand der Fügelemente. Hieraus leitet sich die Herausforderung ab, das Werkstoffversagen in Abhängigkeit der Beanspruchungssituation zu beschreiben. Ein einfacher Ansatz zur Abbildung des Durchdringens ist ein geometrisches Trennkriterium. Ein solches Kriterium basiert i.d.R. auf einem experimentell beobachteten Verhalten und ist somit nicht prognosefähig für Variationen bzgl. Werkzeugkonfigurationen, Blechdicken- und Werkstoffgüten-Kombinationen. In diesem Projekt wird das Schädigungsmodell GISSMO (Generalized Incremental Stress State dependent damage Model) verwendet, um die Entwicklung der duktilen Schädigung zu beschreiben und den Bruchbeginn während des Stanzniet- und Schneidclinchens vorherzusagen. Der Spannungszustand während der Prozesssimulation wird untersucht und die verschiedenen Schädigungsproben werden experimentell erprobt, um die Versagenskurven zu charakterisieren. Die Versagenskurven werden im Schädigungsmodell GISSMO definiert. Um die Genauigkeit des Modells zu gewährleisten, wird die Verifizierung des Modells durch die Simulation von Schädigungsproben mit dem Schädigungsmodell durchgeführt. Zur Validierung des Modells wird die Simulation des Fügeprozesses mit dem Schädigungsmodell durchgeführt und die Ergebnisse von Simulation und Experiment verglichen. Darüber hinaus werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um die Einflüsse der Fertigungsprozesse, der Lackierung und des Diskretisierungsgrades auf das Schädigungsverhalten des Materials zu identifizieren. Das IGF-Vorhaben „Methodenentwicklung zur Schädigungsmodellierung für die numerische Prozesssimulation mechanischer Fügeverfahren" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19452N 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. 527 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Hybridstrukturen aus Aluminium- und Stahlblechen, wie sie bei modernen Leichtbaukonstruktionen immer häufiger vorkommen, sind oft ein guter Kompromiss zwischen Festigkeit und Gewicht der Konstruktion. Das in der Blechverarbeitung häufig eingesetzte Widerstandspunktschweißen führt bei der Verbindung von artverschiedenen Werkstoffen häufig nicht zu der gewünschten Verbindungsqualität. In solchen Fällen kann das mechanische Fügen mittels Halbhohlstanzniet eine gute Alternative darstellen. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer Berechnungsmethode zur Auslegung von zyklisch belasteten halbhohlstanzgenieteten Bauteilen. Die zu entwickelnde Berechnungsmethodik soll dem späteren Anwender eine Bauteilauslegung mit möglichst geringem experimentellem Aufwand ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zwei Vorgehensweisen verfolgt: Vorgehensweise über örtliche Schnittlasten: Für komplexe Geometrien wird ein Ersatzmodell des Fügepunktes entwickelt, welches dieselben Steifigkeiten wie der reale Fügepunkt aufweist. Mit den Kraftkomponenten, die auf den Ersatzfügepunkt wirken und dessen simulativer oder experimenteller Charakterisierung, kann die Lebensdauer für komplexe Bauteile abgeschätzt werden. Für Fügeverbindungen, bei denen am Fügepunkt nur eine geringe Biegebeanspruchung auftritt, kann mit Hilfe des experimentell charakterisierten Fügepunktes eine treffsichere Lebensdauerabschätzung durchgeführt werden. Aufgrund des Fehlens einer geeigneten Probenform zur Charakterisierung des Fügepunktes unter Biegebelastung zeigt die Treffsicherheit bei hohen Biegebeanspruchungen am Fügepunkt Verbesserungspotenzial. Auf Basis der Ergebnisse aus [Mesc 16] wird die Methodik zur Ermittlung der Beanspruchungen in der Fügeverbindung weiterentwickelt und Erkenntnisse über Einflüsse auf die örtlichen Beanspruchungen gewonnen, um den Fügepunkt simulativ charakterisieren zu können. Eine solche Möglichkeit bietet die Anwendung des Örtlichen Konzeptes, das in der FKM-Richtlinie nichtlinear für homogene Werkstoffe standardisiert ist. Der dort beschriebene Algorithmus wird als Ausgangspunkt für die rechnerische Auslegung von Stanznietverbindungen genommen und an deren Bedürfnisse angepasst. Als Eingangsdaten zur Auslegung werden das zyklische Werkstoffverhalten und die Beanspruchungen in der Fügeverbindung benötigt. Das zyklische Werkstoffverhalten der Bleche aus Aluminium EN AW-6181A-T6 und Stahl HX340LAD wurde im Vorgängerprojekt bereits bestimmt. In diesem Projekt folgt die noch fehlende Charakterisierung des Nietwerkstoffs, des Stahls 38B2 H4. Die Bestimmung der Beanspruchungen in der Fügeverbindung unter zyklischer Belastung erfolgt mit Hilfe einer Finite-Elemente-Analyse mit elastisch-plastischem Verformungsverhalten. Verifiziert werden die Simulationsergebnisse, indem die Versagensorte aus Simulation und Versuch sowie die berechneten und experimentellen Lebensdauern miteinander verglichen werden. Zur Berechnung der Beanspruchungen muss die schädigungsrelevante Beanspruchungsgröße identifiziert werden. Hier wird die Normalspannung senkrecht zur Rissausbreitung, die sogenannte rissöffnende oder Mode I Spannung, als auszuwertende Beanspruchungsgröße empfohlen. Mit der Verwendung des Schädigungsparameters PRAM und unter Berücksichtigung der Stützwirkung entsprechend der FKM-Richtlinie nichtlinear ist eine zuverlässige Abschätzung des Versagensortes in der Fügeverbindung möglich. Für die Fügeverbindung aus dem Aluminiumblech EN AW-6181A ist mit dieser Methodik auch eine Lebensdauerabschätzung möglich. Für die Verbindungen, in denen das Aluminiumblech EN AW-6181A und das Stahlblech HX340LAD kombiniert werden, zeigt die Treffsicherheit jedoch noch erkennbares Verbesserungspotential. Die Gründe hierfür werden in Kapitel 7.2.5 und 7.2.6 beschrieben. Eine rechnerische Betriebsfestigkeitsauslegung ist mit Vorgehensweise 1 vergleichsweise einfach möglich. Jedoch sind entgegen des oben formulierten Ziels aufwendige Schwingversuche zur Bestimmung der Versagensbedingungen (Festigkeitswerte) notwendig. Dieser Nachteil kann umgangen werden, indem die Festigkeitsinformationen des einzelnen Fügepunktes unter verschiedenen Belastungsarten mithilfe von Vorgehensweise 2 ermittelt werden. Letztere wiederum eignet sich selbst nicht für eine Auslegung komplexer Bauteile mit mehreren Fügepunkten. Aufgrund der steigenden Berechnungsdauern der Simulation, ist die Anwendung in diesem Fall wirtschaftlich nicht sinnvoll. Durch die beschriebene Kombinationsmethode können die Nachteile der beiden einzelnen Konzepte kompensiert und eine rechnerische Betriebsfestigkeitsauslegung stanzgenieteter Bauteile basierend auf den zyklischen Werkstoffkennwerten durchgeführt werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Das IGF-Vorhaben „Simulationsbasierte Betriebsfestigkeitsanalyse stanzgenieteter Bauteile" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19760N 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. 545 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.