Lohse, Sebastian (2018)
Numerische Schwingfestigkeitsanalyse von Widerstandspunktschweißungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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