Infoplaner 1-2007 - Cadfem

CADFEM INFOPLANER 1/2007Simulation mit ANSYS im Entwicklungsprozessneuartiger FügetechnologienIm Leichtmetall Kompetenzzentrum RanshofenGmbH (LKR), einem Tochterunternehmen des AustrianResearch Centers, ARCS, werden Entwicklungs-aufgaben aus den Bereichen Leichtbau, Gesamtdesignund Fügetechnik mit ANSYS begleitet. Im Folgendenwird die Weiterentwicklung eines toleranz-tole-ranten Blindnietes basierend auf parametrisiertenAPDL-Files beschrieben.Das Nieten ist eines der ältesten mechanischen Verfahren zumErstellen nichtlösbarer Verbindungen. Bewährt im Straßen-,Fahrzeug- und Stahlbau, in der Elektrontechnik oder der LuftundRaumfahrt, erfordern neue Einsatzbereiche aufgabengerechteModifikationen und Neuentwicklungen.Blindnieten gehören zur Gruppe mehrteiliger Verbindungselemente,die eine Montage bei einseitiger Zugänglichkeitermöglichen. Durch ein abgestimmtes Übermaß des Nietedornsund ein Untermaß der Niethülsenbohrung entsteht beimDurchziehen des Dorns eine Aufweitung der Hülse. DurchStauchen bzw. Aufweiten der Hülse bildet sich der Schließkopfder Nietverbindung aus. Nietverbindungen sind verzugs- undverformungsarm und ermöglichen sowohl artgleiche wie auchHybridbauweisen.Spaltausbildungzwischen Blechenund NiethülseOftmals verhindern Fertigungs- und Montagetoleranzen eineformschlüssige Verbindung (Bild 1). Ziel des beschriebenenProjektes war die Entwicklung eines „toleranz-toleranten“Blindniets, mit dem auch unter ungünstigen Bedingungen,d.h. bei Bohrungen mit Lage- und Formtoleranzen, die Herstellungvon kraft- und formschlüssigen Verbindungen ermöglichtwird.Definierte Werkstoff- und Materialmodellefür die SimulationWährend des Setzvorganges des Nietes kommt es zu einergroßen plastischen Verformung der Hülse. Der hochfeste Dornweitet die Hülse radial auf, welche folgend an den Bohrungsinnenflächender zu fügenden Bleche zum Anliegen kommt.Ergänzend werden die Lamellenzwischenräume – die „Täler“der Blindnietdorne – mit dem Hülsenwerkstoff ausgefüllt. DieDefinition dieses nichtreversiblen-plastischen Materialflusses istüber das MISO-Materialmodell für jedes Bauteil in den FE-Simulationenberücksichtigt.2D Parameterstudie und 3D ProzesssimulationEine Parameter-Machbarkeitsstudie als 2D Modell erlaubte vorabeine Bewertung der optimalen Lamellengeometrie für eine realitätsnaheFügesimulation. Geometrien, Reibkoeffizienten undMaterialien wurden hierzu variiert und ausgewertet. Die in derParametersprache APDL programmierten ANSYS Simulationenermöglichten sehr flexible Modelle.Auswertegrößen der 2D-Simulationen:• Einfluss tribologischer Angaben• Parameterstudie zu geometrischen Variationen der Bauteile• Bewertung der Kontaktbedingungen zur Übertragung in das3D Modell• Transparenten Einblick in innovative „Versuchsläufe“• Studie zum Konvergenzverhalten für folgende 3D SimulationenDie Ergebnisse der 2D-Studie zeigten eine formschlüssige Spaltüberbrückungder Bohrungstoleranzen (z.B. durch Montagefehler)von 0.2 mm bei einem Lamellenüberstand von 0.45mm.Der Kontaktdruck zwischen Niethülse und Bohrungen der zufügenden Bleche war weitestgehend homogen, womit sich einhoher Traganteil in der Verbindung ergab.40Bild 1: Spaltbildung bei konventionellen Blindnietverbindungen;Der fehlende Formschluss reduziert die statische und dynamischeKraftübertragungEin Großteil der 2D APDL-Files konnte zur 3D Modellerstellungmodifiziert und ergänzt werden. Hinzugefügt wurdenu.a. Lamellenanzahl, Rotationswinkel, Radien etc. Die Rotationdes vernetzten 2D Modells der Hülse und Bleche erzeugte einregelmäßiges FE-Netz. Zur Vernetzung des Nietdorns wurdenTetraeder verwendet. Während die Ergebnisgenauigkeit und dasKonvergenzverhalten durch lokale Netzverfeinerungen erhöhtwerden konnte, definierten Keyoptions der Solidelementeergänzende Elementeigenschaften wie „Mixed u-P Formulation“:Ergänzend zu den Elementverschiebungen wird dabei einerweiteter Druckfreiheitsgrad „P“ hinzugefügt, der sich aus derFormänderung-Volumenkonstanz ergibt und die Konvergenz beihohen Plastizitäten unterstützt. Die trigonometrischen Bezie-Anwendungen und Technologie