Kerbspannungsanalyse nietgefügter Faserverbund-/Metallkomponenten bei mechanisch-medialer Belastung unter Berücksichtigung der Werkstoffanisotropie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsprojektes war die physikalische Beschreibung des Strukturverhaltens von Metall/FKV-Halbhohlstanznietverbindungen bei mechanisch-medialer Belastung. In der Fügezone herrschen infolge der Konturunstetigkeit und der FKV-Anisotropie komplexe Spannungszustände, die bei mechanischer und medialer Belastung von einer Vielzahl werkstoff- und lastspezifischer Einflussfaktoren abhängig sind. Vor allem im Automobilbau und Schienenfahrzeugbau ist das Strukturverhalten der Fügezone bei Einwirkung korrosiver Medien für die Auslegung von Leichtbaukomponenten in Mischbauweise von besonderem Interesse. Im Rahmen des DFG-AiF-Clusters "Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)" wurde in diesem grundlagenorientierten Teilprojekt daher auf Basis einer vertieften Kerbspannungsanalyse von anisotrop verstärkten Verbunden eine physikalische Beschreibung des Strukturverhaltens von Metall/FKV-Fügeverbindungen bei mechanischmedialer Belastung durchgeführt. Zur Entwicklung der Berechnungsmodelle kamen die bereits bei Faserverbundstrukturen bewährten Verfahren der komplexwertigen Spannungsfunktionen in Kombination mit „lokalen“ Festigkeitskriterien zum Einsatz. Die Verfeinerung der analytisch basierten Berechnungsmodelle und die Ermittlung der erforderlichen Freiparameter erfolgte auf Grundlage experimenteller Untersuchungen, die in den grundlagen- und anwendungsorientierten Projekten des Clustervorhabens durchgeführt wurden. Die erarbeiteten Berechnungsmethoden und Degradationsmodelle bilden eine wesentliche Grundlage zur Erstellung von Bewertungskriterien und Dimensionierungsrichtlinien für Nietverbindungen in Mischbauweise. Im Rahmen des DFG-AiF-Clusters KOMMA erfolgte eine intensive Zusammenarbeit sowohl mit dem zweiten grundlagenorientierten Teilprojekt der TU Bergakademie Freiberg als auch mit den drei anwendungsorientierten Teilprojekten des Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP), des Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) und dem Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH (IKS), die aufgrund der unterschiedlichen Kernkompetenzen der einzelnen Institute eine interdisziplinäre Arbeitsweise gestattete. Der regelmäßig stattgefundene Austausch von Probenmaterial sowie der rege Austausch von fachspezifischen Informationen führte zu einer engen Vernetzung zwischen den Instituten und den damit verbundenen Wissenschaftsgebieten, die auch über das durchgeführte Clustervorhaben hinaus gepflegt und ausgebaut werden soll. Der durch die Clusterbildung gewonnene Mehrwert besteht, neben den zusätzlich erworbenen Erkenntnissen durch die Teilprojekte der Projektpartner, vor allem in der Nutzung institutsfremder Anlagentechnik. Auf diese Weise konnten Synergieeffekte bei der Bearbeitung der Einzelvorhaben genutzt werden, die sich ohne Clusterbildung nicht ergeben hätten. Diese Effekte lassen sich zukünftig aber auch auf weitere gemeinsame Forschungsvorhaben im Fachgebiet der Fügetechnik oder auch im Bereich des Korrosionsschutzes übertragen, was zu deutlich geringeren Forschungs- und Entwicklungszeiten führen kann. Die erarbeiteten Erkenntnisse zum mechanisch-medialen Verhalten der Halbhohlstanznietverbindungen zwischen CFK und Aluminium dienen in der Praxis vor allem der schnellen und besseren Gestaltung komplex beanspruchter Fügeverbindungen in Mischbauweisen, was durch die stetig steigenden Leichtbauanforderungen – schwerpunktmäßig bei mobilen Anwendungen, wie im Fahrzeug- und Schienenfahrzeugbau – zukünftig benötigt wird. Damit stellen die nicht nur die in diesem Teilprojekt, sondern auch die des im gesamten Clusters, gewonnenen Erkenntnisse einen wesentlichen Beitrag zur kombinierten mechanisch-medialer Beanspruchung dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mechanical behaviour of bolted joints with load adapted fibre orientation by variabel-axial fibre placement. 16th International Conference on Mechanics of Composite Materials, May 24-28, 2010, Riga, Latvia
Kroll, L.; Czech, A.; Ulke, L.; Mueller, S.
- Mechanisches Verhalten von CFK-Scheiben mit variabelaxialem Faserverlauf auf Basis der Tailored-Fibre-Placement-Technologie unter Bolzenbelastung. 18. Symposium: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, March 24 - April 01, 2011, Chemnitz, Germany
Kroll, L.; Czech, A.; Seidlitz, H.; Ulke-Winter, L.; Müller, S.
- Strength of self-piercing rivited joints for CFRP/aluminium sheets. 18th International Conference on Composite Materials (ICCM18), August 22-26, 2011, Jeju Island, Korea
Kroll, L.; Mueller, S; Mauermann, R.; Gruetzner, R.
- Bruchverhalten von gelochten Scheiben aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten bei verschiedenen Laminaten und Lochdurchmessern. 13. Chemnitzer Textiltechnik-Tagung: Wertschöpfungspotential Textiltechnik, 14.-15.03.2012, Chemnitz, Deutschland
Müller, S.; Huang, W.; Kroll, L.
