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Numerische Schwingfestigkeitsanalyse von Widerstandspunktschweißungen

 
: Lohse, Sebastian
: Melz, Tobias; Oechsner, Matthias

:
Volltext ()

Darmstadt, 2017, XXII, 119 S., XCVII
Darmstadt, TU, Diss., 2017
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43460
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer LBF ()
Schwingfestigkeit

Abstract
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur automatisierten Bewertung der Lebensdauer von Widerstandsschweißpunkten mit Hilfe der Kerbspannung. Schweißpunkte werden heute üblicherweise mithilfe von Nennspannungskonzepten zum Beispiel nach Rupp oder ECS ausgewertet. In einer Vorbetrachtung wurden diese Verfahren mit ihren Vor- und Nachteilen dargestellt und als Referenzmethoden zur Bewertung der erarbeiteten Methode definiert. Ergänzend wurde die Linchweld-Methode untersucht, welche OEM-übergreifend einen Standard für Steifigkeitsbewertungen darstellt. Die Grundlage der Untersuchungen stellt eine Datenbank von Schweißpunktversuchen für Stahl- und Aluminiumbleche sowie konstanten und variablen Lastamplituden dar. In dieser Datenbank sind über 800 Versuchspunkte für Stahl und über 150 Versuchspunkte für Aluminium zusammengefasst.
Bei der Umsetzung der, BMWeld getauften, Methode werden Kerbfeinmodelle über die Fähigkeiten des Finite Elemente (FE)-Solvers MSC.Nastran in Superelemente kondensiert. Diese Superelemente stellen für die Rechnung der Gesamtmodelle Steifigkeitsmatrizen für die einzelnen Schweißpunkte entsprechend ihren Abmessungen zur Verfügung. In einem nachgelagerten Schritt können die Verschiebungen und Spannungen im Schweißpunkt bewertet werden. Für den gesamten Prozess der Superelementgenerierung, des -einbaus und der Auswertung wurden Matlab-Routinen erstellt. Untersucht wurden eine direkte Anbindung an das FE-Netz sowie eine indirekte über Interpolationselemente.
Bei der Auswertung der BMWeld-Methode wurde zuerst die Auswirkung der Anbindung untersucht. Die indirekte Methode zeigt dabei im Vergleich zu einer reinen Volumenvernetzung große Abweichungen bei Schälzugbelastung der Schweißpunkte, die direkte Methode liefert unabhängig von der Belastung eine sehr gute Näherung. In der numerischen Schwingfestigkeitsanalyse konnten Verbesserungen von bis zu 15% bei der Streuspanne erzielt werden. Eine Verwendung der Effektivspannung wurde geprüft, aufgrund der sehr geringen Verbesserung bei sehr großen Berechnungsaufwänden aber verworfen. Die Robustheit gegenüber einer variierenden Netzgröße in der Umgebung sowie eines Winkelfehlers der FE-Abbildung des Schweißpunktes ist größer als bei den konventionellen Methoden. Diese Vorteile können bei einem gleichbleibenden Modellierungsaufwand erzielt werden. Erste Untersuchungen bei Berechnungen im Gesamtfahrzeug zeigten eine verbesserte Prognosegüte gegenüber den konventionellen Methoden und bestätigen somit die Erkenntnisse der Dissertation.

 

In this dissertation a method for automatically calculating the damage of spot welds using notch stresses is presented. Therefore data from tests with constant or variable amplitudes are collected. There are over 800 tests with various steels and over 150 tests with aluminium in this collection. As a reference, current methods using structural stresses are evaluated and their advantages and drawbacks are discussed, in particular the force-based Rupp-method and the stress-based method used from ECS Femfat. The presented method called BMWeld uses the ability of the finite element (FE) solver MSC.Nastran to condense a model into a superelement containing its stiffness and mass matrices. These superelements are automatically generated for all used diameter and sheet thickness combinations. After calculating the whole model with the included superelements the displacements and stresses in the notch can be exported and evaluated for the durability assessment. The whole process of superelement generation, implementation in the FE-model, evaluating the results and creation of a Wöhler-curve from a given dataset is implemented in Matlab. To include the superelement in the FE-model a direct and an indirect connection as well as 8 and 16 connection points are evaluated. In a first step it is shown that the superelement reduction and connection is valid. The direct connection yields more precise results with a maximum deviation of displacement and stresses from a fine model of 5 percent while the indirect connection shows a deviation up to 24 percent. The stiffness comparisons show slightly more accurate results than the reference methods. Comparing the results of the structural durability analysis the scatter of the Wöhler-curves are reduced up to 15 percent. The usage of an effective stress is evaluated but the improvement is marginal while the calculation time is increased significantly. Finally, the robustness of the method is assessed by changing the surrounding mesh size and alignment of the spot weld element edge. The BMWeld-method with direct connection to the mesh shows only small deviations and is therefore very robust. The indrect connection with 16 points is on par with the Femfat method while 8 connection points with indirect connection is not recommended. Therefore it is shown that the BMWeld method is better than the reference methods while maintaining the modelling requirements. First results from testing automotive assemblies emphasize these improvements. Currently the process is implemented in common FE pre- and post-processors.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-519733.html