P 1266 - Einfluss von fertigungs- und montagebedingten Imperfektionen auf das Tragverhalten geschraubter gleitfester Verbindungen im Stahlbau

P 1265 - Wirtschaftliche und dauerhafte Orthoverbundfahrbahnplatten mit Dübelleisten für Straßenbrücken Stark angestiegene Verkehrsbelastungen führten zu umfangreichen Ermüdungsschäden an existierenden orthotropen Stahlfahrbahnplatten. Stahlbetonbrücken und herkömmliche Verbundbrücken sind zwar weniger ermüdungsanfällig, aber erheblich schwerer. Die sogenannte Orthoverbundfahrbahnplatte ist eine leichte und robuste alternative Bauweise, die die Vorteile der zuvor genannten Bauweisen beibehält, deren Nachteile jedoch beseitigt. In diesem Forschungsprojekt wird die Konstruktion des Brückendecks unter Verwendung von Dübelleisten als Verbundmittel mit hoher Tragfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit entwickelt. Anders als im herkömmlichen Stahlverbundbau wird mit den Dübelleisten in der Orthoverbundplatte ein flächiger Verbund hergestellt. Die Beanspruchung der Leisten in Querrichtung und biaxial wurde bisher nicht untersucht. Zudem wurde für die Orthoverbundfahrbahnplatte eine Leistengeometrie außerhalb des durch die allgemeine Bauartgenehmigung (aBG) Z-26.4-56 abgedeckten Parameterbereiches entworfen. Schwerpunkte der experimentellen, analytischen und strukturmechanischen Untersuchungen sind die Tragwirkung der Fahrbahnplatte unter lokalen Radlasten sowie die Tragfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit der Dübelleisten bei Beanspruchung in Querrichtung sowie unter kombinierter Beanspruchung in Längs- und Querrichtung. Das Versuchsprogramm umfasst statische Abscherversuche an Verbunddübelleisten in deren Längs- und Querrichtung sowie statische und zyklische Träger- und Segmentversuche. Im Ergebnis der Abscherversuche kann die Gültigkeit der aBG Z-26.4.-56 für die Längsrichtung der Dübelleiste bestätigt werden sowie der Bemessungswert und Schadensmechanismus für die Querschubtragfähigkeit und das Verformungsverhalten in Querrichtung bestimmt werden. Anhand der Trägerversuche wird der lokale Lastabtrag sowie das Umlagerungspotential der Dübelleiste in Querrichtung herausgestellt und der Ansatz des Kerbfalls 80 an den Nahtübergängen am Anschluss der Verbunddübelleiste an das Deckblech als ausreichend sicher bestätigt. Die Segmentversuche geben Aufschluss über das Trag- und Verformungsverhalten bei  lokalem und globalem Lastbtrag und bestätigen die hohe Ermüdungssicherheit der Orthoverbundfahrbahnplatte. Auf Basis der Versuche werden numerische FE-Modelle entwickelt und validiert. Sie dienen der Erweiterung und Bestätigung der experimentellen Ergebnisse sowie als Grundlage für umfangreiche numerische Parameterstudien mit variablen geometrischen Kenngrößen und Materialfestigkeiten. In Verbindung mit den Versuchsergebnissen werden Nachweismethoden für die Tragsicherheit und Ermüdungsfestigkeit der Orthoverbundfahrbahnplatte abgeleitet. Abschließend werden anhand der gewonnenen Erkenntnisse im Forschungsprojekt weitere Optimierungspotentiale der Orthoverbundplatte sowie des Orthoverbundprinzips aufgezeigt. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Autoren: R. Stroetmann, J. Wisnewski, C. Lewerenz,C. Karge

P 1267 - Nachweis der Einsetzbarkeit des Widerstandspunktschweißens für reduzierte Flanschbreiten im leichtbauoptimierten Stahlkarosseriebau Bei der Realisierung ressourcenschonender, bezahlbarer Mobilität spielen Leichtbaukonzepte aus modernen höchstfesten Stahlblechwerkstoffen eine bedeutende Rolle. Zur Erhöhung des Kundennutzens (Türeinstieg, „schlanke A-Säule“, usw.) und zur Gewichtsreduzierung besteht im Karosseriebau zudem ein zunehmendes Interesse an der Reduzierung der heute üblichen Flanschbreiten. Das prozesssichere und kosteneffiziente Fügen von Bauteilen aus höchstfesten Stählen mit reduzierten Flanschbreiten mit dem in der stahlblechverarbeitenden Industrie weit verbreiteten und hocheffizienten Widerstandspunktschweißen stellt eine Herausforderung dar. Während OEMs und Tier1-Zulieferer investitionsintensive Technologien wie das Laserstrahlschweißen einsetzen können, fehlen KMU zum prozesssicheren Fügen schmaler Flansche mit der  Widerstandspunktschweißtechnologie die notwendigen Anwenderhinweise. Durch experimentelle und numerische Untersuchungen an für den Karosseriebau realitätsnahen Fügeaufgaben über den gängigen Stand der Technik hinaus wurde in diesem Projek die Einsetzbarkeit des  Widerstandspunktschweißens für reduzierte Flanschbreiten systematisch untersucht. Gleichzeitig wurden die einzuhaltenden Randbedingungen und wirtschaftlichen Kompromisse für eine produktionstaugliche Prozessfähigkeit ermittelt. Vor dem Hintergrund des anwendungsorientierten Projektzieles wurden dazu neben Untersuchungen unter „idealisierten“ Laborbedingungen auch Experimente unter produktionsnahen Bedingungen in Form einer systematischen Einfluss- und Störgrößenuntersuchung durchgeführt. Hierbei wurde durch gezielte Betrachtung von höchstfesten Hochleistungsstählen (3rd generation steels), deren  voranschreitender Entwicklung ebenfalls Rechnung getragen. Zur Erhöhung der wissenschaftlich-prozesstechnischen Erkenntnisse beim WPS reduzierter Flanschbreiten, bspw. hinsichtlich Temperaturverteilung und Schweißlinsenwachstum, wurde eine 3D-Schweißprozesssimulation mithilfe von freiverkäuflicher Software aufgebaut. Die Ergebnisse können von Anwendern direkt genutzt werden, etwa um Optimierungspotenziale, z.B. von alternativen Elektrodenkappengeometrien, zu ermitteln. Die im Rahmen des Vorhabens generierten Ergebnisse und Methoden tragen so dazu bei, kosten- und zeitintensive experimentelle Absicherungen im Unternehmen einsparen zu können und entsprechende  Leichtbauprodukte auf den globalen Märkten anbieten zu können. Die Ableitung von anwendergerecht formulierten Richtlinien sowie Konstruktions und Fertigungshinweisen auf Basis der erzielten Forschungsergebnisse unterstützt ein breites Anwenderspektrum insbesondere aus dem Bereich der KMU bei der Realisierung der an sie gestellten Fügeaufgaben und steigert so insgesamt die Wettbewerbsfähigkeit der KMU. Veröffentlichung: August 2020 Autoren: Ch. Böhne M.Sc., Univ. Prof. Dr.-Ing. G. Meschut

P 1268 - Charakterisierung und Modellierung von Kerbeffekten durch Mischverbindungen in Karosseriebauteilen aus hochfesten Stählen Der Bedarf nach einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs moderner Fahrzeuge bedingt eine Reduktion der Fahrzeugmasse. Besonders die Konstruktion in Mischbauweise hat erhebliches Potential zur Gewichtseinsparung bei gleichzeitig hoher passiver Sicherheit. Insbesondere Verbindungen aus  presshartem Stahl und Aluminium finden deswegen in der Entwicklung moderner Karosserien breite Anwendung. Dabei ist zu bedenken, dass die Konstruktion in Mischbauweise speziell die Fügetechnik vor Herausforderungen stellt, da artverschiedene Werkstoffe nicht ohne weiteres verschweißt werden können. Dementsprechend gewinnen alternative Fügeverfahren wie das Halbhohl- und Vollstanznieten oder auch das Reib- und Widerstandselementschweißen vermehrt an Bedeutung. Diese Fügestellen in Bauteilen stellen technische Kerben dar, wobei die Art der Kerbwirkung anhand der eingesetzten  Fügeverfahren unterschieden werden kann. Mechanische Fügeverfahren wie das Halbhohl- und Vollstanznieten haben eine geometrische Kerbe aufgrund des eingebrachten Loches zur Folge, wobei an der Lochkante aufgrund des Fügeprozesses hohe plastische Dehnungen und Vorschädigungen auftreten können. Thermisch-mechanische Fügeverfahren haben hingegen metallurgische Kerben in Form von Wärmeeinflusszonen aufgrund der eingebrachten Wärme während des Fügeprozesses zur Folge. In diesem Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Kerbwirkung aufgrund unterschiedlicher Fügeverfahren (Halbhohl- und Vollstanznieten sowie Reib- und Widerstandselementschweißen) auf das Tragverhalten von Bauteilstrukturen experimentell und numerisch untersucht. Dazu wurden Versuche an durch die einzelnen Fügeverfahren gekerbten Proben unter quasistatischer und schlagartiger Belastung durchgeführt. Weiterhin wurde die Tragfähigkeit der einzelnen Fügeverbindungen bei unterschiedlichen Belastungswinkeln mit Hilfe des LWF-KS-2-Prüfkonzepts unter quasistatischer und schlagartiger Belastung untersucht. Zur Validierung der entwickelten numerischen Modelle wurden schließlich  Musterbauteilversuche unter quasistatischer und schlagartiger Belastung durchgeführt. Anhand der experimentellen Versuchsergebnisse aus den Untersuchungen an den gekerbten Proben wurden Ersatzmodellierungen entwickelt, mit denen das Versagensverhalten der Proben bei Belastung in der  Blechebene wiedergegeben werden kann. Zusätzlich wurden anhand der Ergebnisse der LWF-KS-2-Versuche Parameter für das Ersatzmodell *CONSTRAINED_SPR3 (Modell 2) bestimmt, um das Verbindungstragverhalten in der Crashsimulation berücksichtigen zu können. Die kalibrierten Modelle wurden schließlich anhand der experimentellen Ergebnisse der Musterbauteilversuche für komplexe Belastungssituationen validiert. Anhand der in diesem Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse sind Anwender der untersuchten Fügeverfahren dazu in der Lage, die Auswirkungen der eingebrachten Kerbstellen auf das Tragverhalten von Bauteilen in Crashsimulationen abzuschätzen. Mit Hilfe der entwickelten  Modellierungsstrategien zur Berücksichtigung von kerbbedingtem Bauteilversagen in der Ersatzmodellierung von Fügestellen, kann dieser Versagensfall bereits früh in der Bauteilentwicklung berücksichtigt werden. Veröffentlichung: 2021 Autoren: Prof. Dr. rer. nat. P. Gumbsch, Prof. Dr.-Ing. G. Meschut

P 1263 - Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und dessen Validierung als Werkstoffparameter Die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur schadenstoleranten Bauteilauslegung ist für zyklische Lasten im Bereich der Paris-Geraden Stand der Technik. Technisch relevant sind jedoch häufig geringere Lasten im Schwellenwertbereich der d푎/d푁-Δ퐾-Kurve. Aufgrund des großen Einflusses von Rissschließeffekten ist dessen Bestimmung jedoch nicht nur aufwändig, sondern auch potenziell fehlerbehaftet. Die Bauteilauslegung erfolgt zweckmäßigerweise auf der Basis effektiver, d. h. rissschließkorrigierter Rissfortschrittsdaten. Von großer Bedeutung ist auch der intrinsische Schwellenwert, unterhalb dessen keine Risserweiterung mehr eintritt. In diesem Forschungsprojekt erfolgte eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Prüfverfahren und Umgebungsbedingungen auf die Ermittlung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung Δ퐾th. Es wurden statistisch abgesicherte Empfehlungen zur experimentellen Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts Δ퐾th,eff abgeleitet. Dieser dient auch als Eingangsparameter einer weiterentwickelten Prozedur zur Bauteilauslegung auf der Basis bei einem Lastverhältnis von 푅 ≈ 0,8 ermittelter, effektiver, Rissfortschrittsdaten. Es zeigte sich, dass die bei einem Lastverhältnis von 푅 ≈ 0,8 in Laborluft bei höherer Prüffrequenzen (≥90 Hz) ermittelten Schwellenwerte eine konservative Abschätzung des intrinsischen Schwellenwerts erlaubten. Bei Lastverhältnissen 푅 ≪ 0,8 wurde ein teilweise stark ausgeprägter Einfluss extrinsischer Effekte auf das Rissfortschrittsverhalten festgestellt. Eine Untersuchung der Bruchflächen ergab Oxidschichtdicken in der Größenordnung mehrerer hundert Nanometer. Bei Reduktion der Prüffrequenz auf ≈55 Hz und Prüfung in feuchter Luft (60 % r.F. und 80 % r.F.) konnte auch bei 푅 = 0,8 Rissschließen beobachtet werden. Die weiterentwickelte Prozedur zur Bauteilauslegung auf Basis effektiver Rissfortschrittsdaten lieferte aber stets konservative Ergebnisse in einem tolerierbaren Fehlerbereich und ist deshalb zur Anwendung geeignet. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einer robusten Bauteilauslegung auf bruchmechanischer Basis bei. Der stark reduzierte Versuchsumfang bei Nutzung effektiver Rissfortschrittsdaten gegenüber der Ermittlung von spannungsverhältnisabhängigen Rissfortschrittskurven beschleunigt und vereinfacht die Bauteilauslegung auf Basis bruchmechanischer Methoden. Veröffentlichung: Januar 2023 Autoren: Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Dr.-Ing. Marcus Klein, Josef Arthur Schönherr, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Uwe Zerbst, Dr. Mauro Madia, Larissa Duarte, Dipl.-Ing.