Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMFließlochformende Schrauben (FLS) sind die Schlüsseltechnologie für den profilintensiven Mischbau in modernen Fahrzeugkarosserien – doch für die zunehmend eingesetzten 3-Blechverbindungen fehlen bislang validierte Simulationsmethoden für den Crashfall. Bisherige Ersatzmodelle wurden ausschließlich für 2-Blechverbindungen entwickelt und können die komplexen Versagensmechanismen bei dreilagigen FLS-Verbindungen nicht zuverlässig abbilden. Dieses Projekt identifiziert erstmals systematisch die Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen Fügeteilanordnung, Vorlochkonfiguration, Blechdickenkombination und dem Versagensverhalten von FLS-gefügten 3-BV. Auf dieser Basis werden praxistaugliche FE-Ersatzmodelle und empirische Prognoseformeln für die Crashsimulation entwickelt und an bauteilähnlichen Strukturen validiert. Für KMU aus Fahrzeugbau, Ingenieurbüros und Fügetechnik bedeutet das: sichere Auslegung von 3-BV bereits in der virtuellen Entwicklungsphase – ohne teure Iterationsschleifen.
Entwicklung von Methoden zur Prognose des Versagensverhaltens von FLS-gefügten 3-Blechverbindungen in der Crashsimulation
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Die Automobilindustrie setzt zur Erfüllung strenger CO₂-Vorgaben und zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen zunehmend auf Leichtbau in Multimaterialbauweise. Dabei werden artverschiedene Werkstoffe – hochfeste Stähle und Aluminium-Profile – mit mechanischen Fügeverfahren verbunden. Fließlochformende Schrauben (FLS) haben sich als kostengünstige, serientaugliche und lösbare Fügetechnologie bei einseitiger Zugänglichkeit etabliert, insbesondere für profilintensive Mischbauweisen und mediendichte Batteriegehäusedeckelverbindungen. Im modernen Karosseriebau werden vermehrt 3-Blechverbindungen (3-BV) eingesetzt – etwa im Schwellerbereich, an A-Säulen-Verstärkungen oder bei Anbauteilen, um Fügepunkte zu reduzieren und Material beanspruchungsgerechter einzusetzen. Für die virtuelle Crashauslegung dieser 3-BV existieren jedoch keine validierten Simulationsmethoden. Die vorhandenen Ersatzmodelle wurden für 2-Blechverbindungen entwickelt und berücksichtigen den Einfluss der dritten Blechlage nicht. Dies führt in der Praxis zu unzuverlässigen Prognosen, Über- oder Unterdimensionierungen und kostenintensiven experimentellen Iterationsschleifen. was einen Gravierenden Nachteil insbesondere für KMU als Ingenieurbüros, Zulieferer und Simulationsdienstleister.
Lösungsansatz des Projekts
Das Projekt verfolgt einen integrierten experimentell-numerischen Ansatz: In umfangreichen werden die signifikanten Einflussfaktoren auf das Trag- und Versagensverhalten von FLS-gefügten 3-BV systematisch identifiziert – darunter Lasteinleitungsrichtung, Fügeteilanordnung, Blechdickenkombination, Werkstoffstreckgrenze, Vorlochkonfiguration und Belastungsgeschwindigkeit. Parallel entwickelt das Fraunhofer IWM numerische Detailmodelle zur Simulation der Versagensmechanismen und überprüft die Übertragbarkeit des Verhaltens von 2-BV auf 3-BV. Auf dieser Basis werden bestehende FE-Ersatzmodelle (u. a. *CONSTRAINED_SPR3, *MAT_100_DA) für 3-BV weiterentwickelt und ein empirisches Prognosemodell zur Abschätzung der Verbindungstragfähigkeit erstellt. Die Validierung erfolgt an bauteilähnlichen T-Stoß-Strukturen unter quasistatischer und schlagartiger Belastung.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Die Projektergebnisse liefern KMU und Großunternehmen erstmals eine validierte Methode zur sicheren Auslegung FLS-gefügter 3-BV in der Crashsimulation. Dadurch können Entwicklungszeiten und -kosten signifikant reduziert, physische Prototypentests minimiert und das volle Leichtbaupotenzial von Mehrblechverbindungen ausgeschöpft werden. Die Ergebnisse fließen direkt in bestehende Merkblätter (DVS/EFB® 3440-4 und 3445-1) ein und stehen über den weit verbreiteten FE-Solver LS-DYNA zur Verfügung. Damit wird ein Beitrag zur Effizienzsteigerung moderner Elektrofahrzeuge, zur Reduktion von CO₂-Emissionen und zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit insbesondere kleiner und mittelständischer Unternehmen in der blechverarbeitenden Industrie geleistet.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Systematische Einflussanalyse und numerisches Versagensmodell für 3-Blechverbindungen
Das Fraunhofer IWM erstellt ein vollständiges, quantitativ abgesichertes Bild aller relevanten Einflussfaktoren auf die Tragfähigkeit von FLS-gefügten 3-BV – auf Basis hochaufgelöster FE-Modelle, die direkt aus der realen Verbindungsgeometrie abgeleitet werden. Das Ergebnis ist eine systematische Wirkungsmatrix der Parameter Fügeebene, Stützwirkung, Vorlochposition, Blechdickenkombination und Belastungswinkel, ergänzt um die Übertragbarkeit auf 2-BV und 4-BV.
Praxistaugliches Berechnungsmodell zur Tragfähigkeitsprognose von 3-Blechverbindungen
Das Fraunhofer IWM entwickelt ein empirisches Prognosemodell, das die Verbindungstragfähigkeit von FLS-gefügten 3-BV auf Basis von Zugfestigkeit, Blechdicke, Lastangriff und Vorlochanzahl formelmäßig berechenbar macht. Damit entsteht ein direkt anwendbares Engineering-Tool, das experimentelle Evidenz und numerische Analyse zu einer kompakten, für die Praxis nutzbaren Auslegungsformel verdichtet.
Validierte Ersatzmodelle für die industrielle Crashsimulation von 3-Blechverbindungen
Das Fraunhofer IWM liefert verbesserte, für 3-BV ertüchtigte Ersatzmodelle( *CONSTRAINED_SPR3, *MAT_100_DA und *MAT_240) in die das entwickelte Prognosemodell implementiert ist. Diese Modelle sind anhand bauteilähnlicher T-Stoß-Versuche unter komplexer Mischbelastung validiert und prognostizieren Kraft-Weg-Verhalten, Versagensmechanismen und Versagensreihenfolge zuverlässig.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
1. Crashsimulation von FLS-gefügten 3-Blechverbindungen mit validierten Ersatzmodellen
Das Fraunhofer IWM simuliert das Versagensverhalten mehrschnittiger FLS-Verbindungen mit validierten, industriell einsetzbaren Ersatzmodellen und prognostiziert Kraft-Weg-Verhalten, Versagensmechanismus und Versagensreihenfolge unter realen Crashlasten.
2. Empirische Tragfähigkeitsprognose für kundenspezifische FLS-3-Blechverbindungen -Konfigurationen
Das Fraunhofer IWM berechnet auf Basis seines validierten Prognosemodells die zu erwartende Tragfähigkeit und den dominanten Versagensmechanismus für beliebige FLS-3-BV-Konfigurationen – schnell, formelbasiert und ohne aufwändige Detailsimulation.
3. Numerische Detailsimulation zur Ursachenklärung bei Schadensfällen und neuartigen Verbindungen
Das Fraunhofer IWM identifiziert und quantifiziert lokale Versagensmechanismen in FLS-Verbindungen mittels hochaufgelöster FE-Detailmodelle – bei unerwarteten Schadensfällen ebenso wie bei der Bewertung neuartiger Konfigurationen.
4. Übertragbarkeitsbewertung von 2-BV-Kennwertdatenbanken auf Anwendungen von 3-Blechverbindungen
Das Fraunhofer IWM analysiert systematisch, unter welchen Bedingungen bestehende 2-BV-Verbindungskennwerte auf 3-BV-Konfigurationen übertragen werden können – und zeigt auf, wo Korrekturen oder Ergänzungen erforderlich sind.
5. Simulationsgestützte Optimierung von Fügeteilanordnung und Vorlochstrategie
Das Fraunhofer IWM ermittelt simulativ, welche Blechanordnung und Vorlochkonfiguration für eine konkrete Bauteilsituation die höchste Energieabsorption, Tragfähigkeit und Crashperformance liefert.
6. Parametrierung und Kalibrierung von FE-Ersatzmodellen für mechanisch gefügte Verbindungen
Das Fraunhofer IWM kalibriert und validiert Ersatzmodellparameter für FLS-Verbindungen auf Basis weniger experimenteller Stützstellen – und liefert sofort einsatzfähige Simulationsmodelle für die Kundenumgebung.
7. Beratung zur crashsicheren Auslegung von FLS-gefügten Batteriegehäuseverbindungen
Das Fraunhofer IWM unterstützt Hersteller von Elektrofahrzeugen und Batteriesystemen bei der crashsicheren Auslegung mediendichter FLS-Mehrblechverbindungen in Batteriegehäusen – unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an Sicherheit, Gewicht und Demontierbarkeit.
