Nah am geschätzten Alter

Ablauf der FE-Modell- erstellung mit netzunabhängigen, punktförmigen Fügestellen

Spannungsabgleich beim Schweißpunkt zwischen Solid- und Ersatzmodell

Ablauf der Lebensdauerabschätzung von punktförmigen Fügestellen

Die virtuelle Entwicklung ist in der Auslegung ein wesentlicher Bestandteil der Karosserieentwicklung. Dazu zählt die rechnerische Simulation des statischen und dynamischen Strukturverhaltens ebenso wie die Betriebsfestigkeits- und die Crash-Simulation. Das Bestreben nach Leichtbau stellt die Forderung nach neuen Verbindungstechniken. Es wird eine Vorgehensweise vorgestellt, punktförmige Verbindungen hinsichtlich globaler und lokaler Steifigkeit, Festigkeit und Betriebsfestigkeit in der Simulation zu beurteilen. Aufbauend auf dem Verfahren für netzunabhängige Schweißpunkte wurde die Methode für Stanznietverbindungen und weitere punktförmige Fügestellen entwickelt.

Für die Lebensdauerabschätzung von punktförmigen Fügestellen reichen FE-Modelle mit dem Detaillierungsgrad üblicher Schalenmodelle, wie sie in der Karosserieentwicklung verwendet werden, nicht aus, um die auftretenden lokalen Beanspruchungen mit guter Qualität zu beschreiben. Es ist daher notwendig, ein lokales Modell für die Lebensdauerabschätzung zu entwickeln. Die Vorgehensweise ist analog jener beim Schweißpunkt, jedoch ist bei der Stanznietverbindung zusätzlich eine nichtlineare Simulation der Fügestelle für Scher-, Kopf- und Schälzug erforderlich. In Kombination mit einem Lebensdauermodell für den Werkstoff, zum Beispiel dem Kerbdehnungskonzept, können die Steifigkeit und die schädigungsrelevanten Beanspruchungen bestimmt werden. Für die Lebensdauerabschätzung werden so genannte Ersatz- und Parametermodelle verwendet.

Ersatzmodell-Darstellung der Fügestelle

Da eine kongruente Vernetzung bei der Erstellung einen hohen Zeitaufwand erfordert, wurde die netzunabhängige Modellierung entwickelt. Für jeden Typ der punktförmigen Fügestellen gibt es ein eigenes Ersatzmodell, um den Kraftfluss über diese in geeigneter Weise abzubilden. Die Ersatzmodelle bestehen aus Balken- und Hexaeder-Elementen und werden zusätzlich in das FE-Modell eingebracht. Die Eigenschaften dieser Elemente ergeben sich aus einem Abgleich des Steifigkeits-, des lokalen Verformungs- und des Beanspruchungsverhaltens.

Besonders zu erwähnen ist, dass mit dem „Femsite"-Modell der punktförmigen Verbindung auch der Effekt des S-Schlags beim Scherzug im FE-Modell abgebildet werden kann, was bei vielen der bekannten Modelle nicht der Fall ist. Die Kopplung des Ersatzmodells erfolgt über MPC-Gleichungen in die Schalenstruktur des FE-Modells. Diese berücksichtigen die Ansatzfunktionen der Schalenelemente, dadurch wird ein freier Knoten so an die FE-Struktur gekoppelt, als wäre er ein Teil der Schalenstruktur. Die FE-Modelle der Bauteile bleiben völlig unverändert. Nach der Vernetzung der Bauteile unter Beachtung von Modellierungsrichtlinien erfolgt der automatisierte Einbau der Fügestellen. Liegt die Definition der Fügestellen vollständig vor, kann deren Modellierung (mehrere 1000 punktförmige Fügestellen) innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden, auch bei einer Kombination verschiedener punktförmiger Verbindungen wie zum Beispiel von Schweißpunkten und Stanznietverbindungen, wie sie in Hybrid- Strukturen vorkommen kann.

Parametermodelle in der Fügestellendatenbank

Der lokale Spannungs- und Verformungszustand im Bereich der Fügezone wird im Berechnungsablauf durch Parametermodelle bereitgestellt. Für die verschiedenen Typen der punktförmigen Fügestellen ist eine große Anzahl von Parametermodellen entsprechend den Anforderungen in der Karosserieentwicklung verfügbar. Die Parametermodelle der Fügestelle stellen sehr detaillierte Volumenmodelle dar. Diese werden an den Schnittufern mit Einheitsbelastungen für alle Kraftrichtungen beaufschlagt und die lokalen Beanspruchungen für alle 48 Einheitslastfälle der Schnittuferkräfte in der Femsite-Fügestellendatenbank abgelegt. Im Berechnungsablauf wird überprüft, mit welchem Parametermodell die Merkmale der punktförmigen Fügestelle übereinstimmen, und die lokalen Beanspruchungen werden für die Lebensdauerabschätzung verwendet.

Ablauf der Lebensdauerabschätzung

Auf Basis des Kraftflusses über die punktförmige Verbindung werden die lokalen Beanspruchungen errechnet. Aus dem FE-Modell werden die Knotenkräfte an den Fügestellen ermittelt und auf Schnittuferkräfte umgerechnet. Dies sind die Superpositionsfaktoren für die in der Fügestellendatenbank abgelegten lokalen Beanspruchungen.

Auf diese Weise kann der zeitliche Verlauf der lokalen Beanspruchungen, wie Spannungen und Dehnungen ermittelt und die lokal zu erwartende Lebensdauer berechnet werden. Bei der Lebensdauerabschätzung wird das Modifizierte Kritische Schnittebenenverfahren angewendet. Aus dem Spannungs-Zeitverlauf je Schnittebene werden die Rainflowmatrizen ermittelt und nach Berücksichtigung des Werkstoffmodells (Stützwirkung, Mittelspannungseinfluss) erfolgt die Lebensdauerabschätzung an der PSWT- Wöhlerlinie.

Validierung an Proben und Bauteilen

Die Validierung erfolgte an dynamisch schwingend belasteten Kopfzug- und Scherzug-Proben. So wurden unter anderem stanzgenietete Scherzugproben (KS2-Proben) bei verschiedenen Blechdickenkombinationen von Blechen aus Aluminium untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der Schädigungswerte zu den Versuchsergebnissen. Ein ähnliches Ergebnis liefert die Berechnung von Stanznietverbindungen in H-Scherzugproben aus den Werkstoffen AA6014 und AA5182.

Die Validierung am Bauteil wurde vielfach in der Fahrzeugentwicklung durchgeführt. Es wird der beschriebene Ablauf unter anderem für die komplette Rohkarosserie mit den mehreren tausend Schweißpunkten angewendet, wobei die komplette Überfahrt auf der Strukturerprobungsstrecke simuliert wird. Die aus der Lebensdauerabschätzung mit Femsite ermittelte Verteilung der Schädigung sowohl für die Rohkarosse (Grundwerkstoff) als auch die Schweißpunkte liefert die Orte potentieller Problemstellen. Auch hier hat sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem Simulations- und dem physischen Erprobungsergebnis gezeigt. Es ist daher möglich, diese Vorgehensweise in der Entwicklung als Auslegungswerkzeug einzusetzen, da kritisch beanspruchte Stellen am Bauteil respektive der gesamten Rohkarosserie prognostiziert werden können.

Die dargestellte Methode zur Lebensdauerabschätzung punktförmiger Verbindungen (Schweißen, Stanznieten) eröffnet die Möglichkeit, derart verbundene Komponenten und Gesamtfahrzeugstrukturen hinsichtlich ihres Betriebsfestigkeitsverhaltens qualitativ und quantitativ zu bewerten. Diese Berechnungsmethode ist in Femsite integriert, so dass sie im Berechnungsalltag im Automobilbau genutzt werden kann. In der sich bereits über viele Jahre erstreckenden Anwendung dieser Vorgehensweise hat sich eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen aus der physischen Erprobung gezeigt; die Prognosefähigkeit konnte dadurch bestätigt werden.

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