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BSc in MaschinentechnikBIBEBUVAAusknöpfen von NietverbindungenMaschinentechnik / Betreuer: Beat SchmiedExperte: Felix ScheuterProjektpartner: CADFEM Suisse AG und IndustriepartnerAusknöpfen von mechanischen Verbindungsmitteln (Nieten, Schrauben etc.) beschreibt die Versagensart,bei der sich aufgrund reiner Zugbeanspruchung das zu verbindende Material soweit elastisch und plastischverformt, bis es über den Kopf des Verbindungsmittels rutscht.Der Industriepartner möchte den von Eurocode 3 vorgeschriebenen, experimentellen Nachweis der Ausknöpffestigkeitbei tragenden Strukturen mittels durch Versuche verifizierten FEM-Simulationen effizientergestalten.AusgangslageAusgangslage:Das Regelwerk für Stahlkonstruktionenim Bauwesen, der Eurocode3, bildet die Grundlage zurAuslegung von tragenden Strukturen.Zur Ermittlung der Grenzzugkraftfür Ausknöpfen schreibtder Eurocode 3 vor, dass diesdurch einen experimentellenNachweis zu erfolgen hat.Da einexperimenteller Nachweis aufwändigund kostenintensiv ist, gab derIndustriepartner bis anhin denFestigkeitsnachweis bei einem externenIngenieurbüro in Auftrag.Dieses hat die Ausknöpffestigkeitmittels FEM-Simulationen imHook’schen (elastischen) Bereichder Komponenten ermittelt. DerIndustriepartner möchte nun denNachweis intern führen.Ziel dieser Thesis war, Grundlagenfür FEM-Simulationen im elastischenund plastischen Bereich derKomponenten für die Nachweisführungzu erarbeiten und durchVersuche zu verifizieren.Vorgehensweise:Zusammen mit dem Industriepartnererfolgte die Definition der Versuchsreihen(4 Niettypen mit 3Stahlblechdicken). Die Zugprobengeometrieund Einspannvorrichtungentsprachen dem Versuchsaufbaunach Klee/Seeger.Für die Simulation ist die Geometriedes gesetzten Niets durch Vermessenvon erzeugten Schliffbildernnachmodelliert worden. Fürplastische Berechnungen benötigtdas FEM-Programm ANSYS-Workbench zusätzlich die Fliesskurvendes entsprechendenWerkstoffs. Die Fliesskurven derverwendeten Stahlbleche warendurch Normzugversuche zu ermitteln.Zur Verifizierung der Simulationsind auf der Zugmaschine dieKraft-Weg-Verläufe aufgenommenworden. Durch Vergleichen derErgebnisse der Versuche mit denender Berechnungen waren diesensitiven Parameter in der Simulationzu evaluieren.Ergebnisse:Die aus dem Normzugversuch beiverschiedenen Blechdicken, jedochgleichem Werkstoff, ermitteltenFliesskurven ergaben unterschiedlicheVerläufe. Aus diesemGrund ist für die Simulation dasMaterialmodell in Abhängigkeitder Blechdicke zu wählen.Dankunterschiedlichen Versagensarten(Schaftbruch und Ausknöpfen amSchliesskopf) bei verschiedenenBlechdicken im Zugversuch sindwichtige Versuchsdaten zur Verifizierungder Simulationen gewonnenworden.Mit der Simulation konnte dasnichtlineare Materialverhalten gutnachgestellt und durch eine Sensitivitätsanalyseoptimal an denVersuch angenähert werden. DasVersagenskriterium in der Simulationwurde wie folgt definiert:Überschreitet die berechneteplastische Vergleichsdehnung amStahlblech, die aus der Fliesskurveermittelten plastischen Gleichmassdehnung,ist die Grenzzugkraftfür das Ausknöpfen erreicht.Lukas Wedersakulredew@gmail.comFEM-Simulation plastische Vergleichsdehnungti.bfh.ch233