Methodenentwicklung zur Auslegung mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung

Die Fahrzeugindustrie reagiert auf den Zielkonflikt zwischen den steigenden Anforderungen an die kosten- und zeitintensive Crashsicherheitsbewertung einerseits und der Forderung nach einer Verkürzung der Entwicklungszeiten für neue Fahrzeugmodelle andererseits mit der verstärkten Integration von Simulationswerkzeugen in die Produktentwicklung. Bei der Simulation eines Fahrzeugcrashs sind die Fügestellen zu berücksichtigen, da diese das Crashverhalten einer Fahrzeugstruktur signifikant beeinflussen. Bezüglich der eingesetzten Fügeverfahren gewinnt mit der zunehmenden Umsetzung von leichtbauoptimierten Fahrzeugstrukturen die mechanische Fügetechnik gegenüber den wärmeintensiven, thermischen Verfahren an Bedeutung. Vor diesem Hintergrund bestand die Zielstellung der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung von Methoden zur Auslegung mechanisch gefügter Verbindungen unter Crashbelastung.

Aufbauend auf einer numerisch und experimentell durchgeführten Analyse des Prüfaufbaus zur Hochgeschwindigkeitsprüfung wurden zunächst umfangreiche Methoden zur Ermittlung auslegungsrelevanter Werkstoff- und Verbindungskennwerte unter schlagartiger Belastung erarbeitet. Das Trag- und Versagensverhalten von mechanisch gefügten Verbindungen wurde anschließend unter verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten und unter definierten Belastungszuständen, die sich aus der Kombination von Scher- und Kopfzug ergeben, ermittelt. Dabei kam ein optisches, also berührungslos arbeitendes Messsystem zum Einsatz, mit dem die Probenverformungen unmittelbar lokal an der Fügestelle bestimmt werden konnten. Die ermittelten Verbindungskennwerte ermöglichen erstmals eine umfassende Bewertung und Charakterisierung des Crashverhaltes mechanisch gefügter Verbindungen.

Die im experimentellen Teil der Arbeit ermittelten Werkstoff- und Verbindungskennwerte wurden im numerischen Teil als Eingangsdaten für die Definition der Fügestellen in der Simulation des Lastfalls Crash verwendet. Dazu wurde auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) ein praxisgerechtes Fügepunkt-Ersatzmodell inklusive eines Versagenskriteriums zur Abbildung des Trag- und Versagensverhaltens der Fügestellen entwickelt. Mit dem aufgebauten Simulationsmodell wird nur wenig Rechenaufwand für die Integration der Fügestellen in das Gesamtfahrzeugmodell absorbiert und das gesamte Trag- und Versagensverhalten der Fügestellen adäquat berücksichtigt.