Der Beulwiderstand ist ein spezifisches Qualitätskriterium von Außenhautteilen der Fahrzeugkarosserie. Er setzt sich zusammen aus Beulfestigkeit und Beulsteifigkeit. Die Beulfestigkeit ist definiert als Widerstandsfähigkeit des Bauteils gegen bleibende Verformungen der Oberfläche durch einwirkende Beullasten. Die Beulsteifigkeit bestimmt vor allem die haptische Qualitätswahrnehmung. Leichtbau-Bestrebungen führen zur Verringerung von Blechdicken auch bei Beplankungsteilen. Während die Beulfestigkeit dabei durch höhere Werkstofffestigkeiten aufrechterhalten werden kann, nimmt die Beulsteifigkeit überproportional stark ab. In der vorliegenden Arbeit wird die Bedeutung unterschiedlicher Steifigkeitsverläufe für die haptische Beurteilung der Bauteilqualität untersucht. Versuche an skalierten PKW-Dächern unterschiedlicher Stahlgüten und Ausreckungsgrade widerlegen tradierte Annahmen zur Korrelation von Kaltverfestigung und Beulsteifigkeit. Gezielte Eingriffe in den Ziehprozess doppelt gekrümmter Blechteile sowie Modifikationen der Randbedingungen bei der Beulprüfung werden erprobt und ihr Einfluss auf das Beulverhalten der Bauteile analysiert. Im Zusammenspiel aus analytischen Berechnungen, numerischen Modellen und physischen Experimenten wird ein neuartiger Lösungsansatz zur Erhöhung der Beulsteifigkeit von Außenhautteilen durch elastische Vorspannung entwickelt, der dem Phänomen der geometrischen Steifigkeit zuzuordnen ist. Die Validierung erfolgt zunächst an einfach gekrümmten Aluminiumblechen, anschließend an einer realen Karosseriebaugruppe. Bei allen Untersuchungen
wurde großes Augenmerk auf Geometriegleichheit gelegt. Die vergleichende Beulprüfung von vorgespannten und spannungsfreien Versuchsteilen zeigt
eine teilweise signifikante Zunahme der Beulsteifigkeit im Einklang mit den Ergebnissen der numerischen Simulation. Die zum Einsatz kommenden Betriebsmittel und Verfahren sind grundsätzlich geeignet für eine Anwendung in der automobilen Serienproduktion.:Bibliographische Beschreibung
Referat
Vorwort
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Verzeichnis der Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Werkstoffe der Karosserie-Außenhaut
2.1.1 Stahlblechgüten
2.1.2 Aluminiumblechgüten
2.2 Grundlagen der Blechumformung
2.3 Herstellung von Karosserieblechteilen und -baugruppen
2.4 Temperaturexposition von Karosseriebaugruppen
2.5 Beulverhalten von Karosserie-Außenhauteilen
2.5.1 Beulprüfung
2.5.2 Beulfestigkeit
2.5.3 Beulsteifigkeit
2.5.4 Abgrenzung von „Oilcanning“ und „Springbeulen“
2.5.5 Ausdehnung der lokalen Beule
2.5.6 Untersuchungen von Asnafi und Vlahovic
2.6 Abhängigkeit des E-Moduls von Formänderung und Wärmebehandlung
2.6.1 Veränderlichkeit des E-Moduls bei Stahlwerkstoffen
2.6.2 Verhalten des E-Moduls von Aluminiumwerkstoffen
2.7 Versteifung durch Vorspannung und geometrische Steifigkeit
3 Motivation und Zielstellung
4 Beulprüfstand am ZUK
4.1 Aufbau, Funktion und Komponenten
4.2 Beschaffenheit des Indenters
4.3 Beschaffenheit der Prüfteilaufnahme
4.4 Steifigkeitsnachweis für das Gesamtsystem
4.5 Methodik zur Durchführung und Auswertung der Beulversuche
4.5.1 Durchführung der Versuche
4.5.2 Bereinigung und Auswertung der Messdaten
5 Grundlegende Voruntersuchungen
5.1 Subjektive Wahrnehmung der Beulsteifigkeit
5.2 Untersuchungen an skalierten Dachbeplankungen aus Stahl
5.2.1 Festlegung der elastischen Grenzbeultiefe
5.2.2 Sensitivitätsanalysen der Beulprüfung
5.2.3 Vermessung der Bauteile
5.2.4 Einfluss der Ausreckung auf die Beulsteifigkeit
5.2.5 Interpretation der Ergebnisse
5.3 Untersuchungen an doppelt gekrümmten Bauteilen ohne Vorspannung
5.3.1 Versuche zur Herstellung gezielt inhomogen ausgereckter Bauteile
5.3.2 Beulsteifigkeit und Beulfestigkeit unterschiedlich stark ausgereckter Bauteile
5.3.3 Beulsimulation mit AutoForm
5.3.4 Einfluss des E-Moduls auf die Beulsteifigkeit von Stahl- und Aluminiumblechteilen
5.4 Untersuchungen an rundgewalzten Bauteilen unter Vorspannung
5.4.1 Rundgewalzte Bauteile in freier Überbiegung
5.4.1.1 Elementare Berechnungsgrundlagen
5.4.1.2 Versuchsdurchführung und -ergebnisse
5.4.2 Rundgewalzte Bauteile bei zweiseitiger Zwangseinspannung
5.4.3 Rundgewalzte Bauteile in umlaufender Zwangseinspannung
5.4.4 Spannvorrichtung für einfach gekrümmte Teile
5.4.5 Versuche mit Spannvorrichtung
5.5 Untersuchungen an doppelt gekrümmten Bauteilen unter Vorspannung
5.5.1 Erzeugung der Vorspannung
5.5.2 Bauteilvermessung und Krümmungsanalyse
5.5.3 Beulprüfung und -ergebnisse
5.5.4 Korrelation von Krümmung, Vorspannung und Beulsteifigkeit
5.6 Numerische Berechnungen an doppelt gekrümmten, vorgespannten Bauteilen mit ANSYS
5.6.1 Modellierung und Berechnung eines realen Versuchsteils
5.6.2 Modellierung und Berechnung eines idealisierten Bauteils
5.7 Fazit der Voruntersuchungen
6 Lösungsansatz zur spannungsbasierten Erhöhung der Beulsteifigkeit
6.1 Plausibilisierung des semi-analytischen Modells mit dem Ritz-Raleigh-Verfahren
6.1.1 Entwicklung der Ausgangsgeometrien
6.1.2 Ermittlung der Dehnungen und Spannungen unter Vorspannung
6.1.3 Berechnung der Beulantwort
6.1.4 Teilautomatisierte Berechnung in MuPAD
6.1.5 Durchführung und Ergebnisse der semi-analytischen Berechnungen
6.2 Plausibilisierung des semi-analytischen Modells mit numerischen Methoden
6.2.1 Validierung des Elementtyps SHELL181
6.2.2 Numerische Berechnung und Vergleich der Ergebnisse mit dem semi-analytischen Modell
6.3 Fazit der semi-analytischen und numerischen Berechnungen
7 Anwendung steifigkeitserhöhender Vorspannungen auf einfach gekrümmte
Bauteile
7.1 Verfahrensentwicklung zur Bauteilherstellung
7.2 Entwicklung der Formvorrichtung
7.2.1 Numerische Absicherung
7.2.2 Konstruktion der Formvorrichtung
7.2.3 Anfertigung und Erprobung
7.3 Bauteilherstellung und -charakterisierung
7.4 Beulprüfung und Ergebnisse
7.4.1 Initial- und Sekantensteifigkeit
7.4.2 Beulfestigkeit
7.5 Numerische Simulation
7.5.1 Vernetzung des Blechs
7.5.2 Erzeugung der Vorspannung
7.5.3 Simulation der Beulprüfung
7.5.4 Analyse der Beulgeometrie
7.6 Untersuchung des Temperatureinflusses auf die Vorspannung
7.6.1 Ergebnisse der Beulprüfung
7.6.2 Ergebnisse der Geometrievermessung
7.7 Fazit der Untersuchungen an relaxationsgeformten Aluminiumteilen unter
Vorspannung
8 Validierung an einer realen Karosserie-Baugruppe
8.1 Auswahl des Realbauteils
8.2 Auswahl und Charakterisierung des Versuchsmaterials
8.3 Parameterstudie Blechdicke und E-Modul
8.4 Herstellung der Dachbeplankung in Sollform
8.4.1 Ziehen, Beschneiden und Abkanten
8.4.2 Formänderungsanalyse und optische Vermessung
8.5 Geometrieentwicklung der Dachbeplankung in Fehlstellung
8.5.1 Verfahrensentwicklung zur Fehlstellungserzeugung und -rückführung in die
Sollform
8.5.2 Beulverhalten unter Einbeziehung von Ausdünnung und elasto-plastischem
Materialverhalten
8.6 Herstellung der Dachbeplankung in Fehlstellung
8.6.1 Wirkflächenentwicklung für die Realteile mit AutoForm R6
8.6.2 Betriebsmittelbau und Bauteilherstellung
8.7 Herstellung von ZSBs mit spannungsfreier und spannungsbehafteter Beplankung
8.8 Vergleichende Beulprüfung
8.8.1 Beulsteifigkeit
8.8.2 Beulfestigkeit
8.8.3 Oilcanning und Springbeulen
8.8.4 Elastische Nachgiebigkeit des ZSB
8.8.5 Vergleich von Simulation und Experiment und Simulation
8.9 Fazit der Validierung an realen ZSBs
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Literaturverzeichnis
Anhang A
Anhang B
Anhang C
Anhang D
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:85506 |
| Date | 21 June 2023 |
| Creators | Heckmann, Martin |
| Contributors | Awiszus, Birgit, Birkert, Arndt, Technische Universität Chemnitz, Hochschule Heilbronn |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz/Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand/KF2126909GB1/ |
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