Charakterisierung und Modellierung von mechanischen Fügeverbindungen mit einseitiger Zugänglichkeit für den profilintensiven Leichtbau unter Crashbelastung

Die gesetzlichen Verordnungen den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, veranlasst die Automobilindustrie konsequenten Leichtbau umzusetzen. Die Senkung des CO2-Ausstoßes auf durchschnittlich 95g CO2/km im PKW-Verkehr bis 2020 ist beschlossen. Die Fahrzeugkarosserie bietet mit ihrem über 30%igen Anteil am Gesamtgewicht das größte Umsetzungspotential für Leichtbau, der durch Einsatz von höchstfesten Stählen in dünnen Blechdicken und auch von anderen Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen realisiert werden kann. Durch die profilintensive Mischbauweise lässt sich in der Konstruktion die Vorgabe einer beidseitigen Zugänglichkeit der Fügestellen nicht durchgehend realisieren. Zunehmend bekommt die Fügetechnik Fügeaufgaben, die nur eine einseitige Zugänglichkeit besitzen. Hier werden dann Verfahren wie das Direktverschrauben (fließlochformende Schrauben) und auch das Bolzensetzen eingesetzt.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung der Festigkeit, des Tragverhaltens, des Verformungs- und Versagensverhaltens von mechanischen Verbindungen mit einseitiger Zugänglichkeit für den profilintensiven Leichtbau unter Crashbelastung. Für die Fügeverfahren Bolzensetzen und fließloch- und gewindeformende Schrauben (FLS) sollen anhand der LWF-KS-2-Prüftechnik Kennwerte für die Ersatzmodellierung dieser Verbindungen für die Crashsimulation ermittelt werden. Ein Ersatzmodell soll für diese Verbindungen auf Basis des vorhandenen Ersatzmodells für Stanznietverbindungen weiterentwickelt und kalibriert werden. Anhand von Simulationen eines Musterbauteilversuchs soll diese Modellierung für den Einsatz in Crashsimulationen validiert werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden für die Versuchswerkstoffe als Eingangsprüfung Zugversuche für eine quasistatische und eine schlagartige Dehnrate durchgeführt. Diese bilden die Grundlage für die spätere Simulation. Im Anschluss an die Bemusterung der in diesem Projekt geplanten Verbindungen wurden für unterschhiedliche Setzbolzen- und FLS-Verbindungen Verbindungskennwerte bestimmt. Um den Einfluss der Lage des Fügepunkts in einem Bauteil und somit der Steifigkeit der Fügeteile auf das Verbindungsverhalten zu beurteilen wurden Versuche unter Scher- und Schälbelastung mit Variation der Probengeometrie durchgeführt.
Durch Entwicklung einer Ersatzmodell- und Charakterisierungsmethodik für Fügeverbindungen im profilintensiven Leichtbau, wie das fließlochformende Schrauben und das Bolzensetzen, werden Stahlanwender in Konstruktion und Berechnung in die Lage versetzt, zuverlässige Aussagen über die Beanspruchbarkeit von gefügten Stahlkonstruktionen unter Crashbelastung treffen zu können. Dies ermöglicht eine effiziente und wirtschaftliche Entwicklung gefügter Komponenten aus sten Stählen für den profilintensiven Leichtbau und verbessert die Konkurrenzfähigkeit von Stahl gegenüber anderen Leichtbauwerkstoffen.