Charakterisierung und Meta-Modellierung von ungleichartigen Punktschweißverbindungen für die Crashsimulation

Im Automobilbau werden aus Leichtbaugründen verstärkt hoch- und höchstfeste Stähle in dünnen Blechdicken in einem funktions- und anforderungsoptimierten Materialmix eingesetzt. Um die einzelnen Bauteile zur tragenden Leichtbaustruktur zu verbinden, wird das sehr wirtschaftliche und hoch automatisierbare Widerstandspunktschweißen eingesetzt. Die Crashsimulation benötigt daher zuverlässige Modelle, die die Tragfähigkeit, also die maximal ertragbare Kraft, von Punktschweißverbindungen unterschiedlichster Fügepartner beschreiben können, um bereits in der Konzeptionsphase belastbare Aussagen über die Crashsicherheit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften treffen zu können. In diesem Projekt wurden punktgeschweißte Proben einer umfangreichen Versuchsmatrix geprüft, um Einflussfaktoren wie Linsendurchmesser, Blechdicke und Stahleigenschaften auf die Tragfähigkeit bei ungleichartigen Verbindungen unter Kopfzug-, Scherzug- und Schälzugbelastung zu untersuchen. Ungleichartig bedeutet hier, dass unterschiedliche Stähle in unterschiedlichen Blechdicken geschweißt wurden. Die Versuchsmatrix umfasste hauptsächlich Zweiblech-, aber perspektivisch auch zwei Dreiblechverbindungen, da die Crashsimulation auch für Dreiblechverbindungen belastbare Modellvorhersagen benötigt. Die Stahlblechkombinationen wurden so gewählt, wie sie typischerweise in der Automobilindustrie verwendet werden. Es wurden mithilfe von Verfahren des maschinellen Lernens Modelle zur Vorhersage der Tragfähigkeit unter quasi-statischer Belastungsgeschwindigkeit von ungleichartigen, punktgeschweißten Zweiblechverbindungen unter Scher-, Kopf- und Schälzugbelastung entwickelt. Dabei wurden Effekte, die durch Streuungen der tragfähigkeitsbestimmenden Größen, wie zum Beispiel Linsendurchmesser, Blechdicken und Festigkeit der Stahlbleche, hervorgerufen werden, analysiert und berücksichtigt. Die Regressionsmodelle wurden anhand von Versuchsergebnissen von gleichartigen Verbindungen erstellt und können im Wesentlichen den Einfluss des Linsendurchmessers, Blechdicke und Zugfestigkeit auf die Tragfähigkeit wiedergeben. Der Vergleich der Modelle mit experimentellen Datenpunkten für gleichartige Verbindungen zeigt eine gute Anpassung. Zur Übertragung der Modelle auf ungleichartige Verbindungen wurde ein Minimumansatz der Tragfähigkeiten für die gleichartigen Verbindungen der jeweiligen Fügepartner gewählt. Dieser Minimumansatz kann die Tragfähigkeit einer ungleichartigen Punktschweißverbindung unter Scherzugbelastung gut beschreiben, für Kopfzug- und Schälzugbelastung wurden zusätzliche Korrekturfaktoren benötigt, da die ungleichartigen Verbindungen kleinere Maximalkräfte aufweisen als eine gleichartige Verbindung des niederfesteren und/oder dünneren Blechs. Zusammenfassend betrachtet sind die Regressionsmodelle geeignet, um Vorhersagen für die Maximalkraft von Punktschweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsarten zu treffen.