Werkstofftechnisch basierte Simulation des Grenztragverhaltens geschweißter Aluminiumstrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Michael Reich; Professorin Dr.-Ing. Manuela Sander
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290068716

Der aktuell bedeutendste Leichtbauwerkstoff ist Aluminium mit seinen Legierungen und wird mit zunehmender Tendenz erfolgreich eingesetzt. Hierbei ist zu gewährleisten, dass die entwickelten Konstruktionen ihre Aufgabe über die Einsatzdauer sicher erfüllen. In diese Betrachtung müssen Havariefälle und dadurch beispielsweise verursachtes Strukturversagen Berücksichtigung finden. Ebenso wie bei geschweißten Stahlkonstruktionen wird auch bei der Verwendung von Aluminiumlegierungen die Grenztragfähigkeit vom Versagen der Fügeverbindungen und angrenzender Bereiche dominiert. Das beantragte Forschungsprojekt zielt auf die Entwicklung neuartiger Schädigungsmodelle für Aluminiumschweißnähte unter Berücksichtigung werkstoff- und fertigungstechnischer Grundlagen sowie ihre Erprobung in globalen Strukturmodellen ab. Hierzu werden mittels Kalorimetrie und Dilatometrie erstmals Schweiß-Zeit-Temperatur-Ausscheidungs- und Auflösungs-Diagramme erstellt, wie sie beispielsweise als Schweiß-ZTU-Diagramm für Stähle bekannt sind. Die thermomechanische Analyse im Abschreck- und Umformdilatometer ermöglicht die Beschreibung des Einflusses der ermittelten Phasenumwandlungen auf die mechanischen Eigenschaften. Die Erkenntnisse hieraus sind Grundlage für ein Berechnungsmodell des Schweißvorgangs zur Ermittlung von Gefügeeigenschaften, Verzug und Eigenspannungen auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Mit dem Ziel ein Kriterium für das duktile Bruchversagen zu kalibrieren sollen für den Grundwerkstoff, die Schmelzzone und die WEZ mittels FE-Simulationen von Zugversuchen an Werkstoff- und geschweißten Kleinproben die wahren Spannungs-Dehnungs-Beziehungen bestimmt werden. Die Abhängigkeit der Bruchdehnung vom Spannungszustand wird durch die Verwendung unterschiedlich scharf gekerbter Versuchskörper ermittelt. Detailliert soll nachfolgend das Tragverhalten geschweißter X-Profile unter axialer Druckbelastung sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden. Neben der Aufnahme von Last-Verschiebungskurven und der Erfassung lokaler Deformationen wird angestrebt, das Bruchverhalten in Form von Rissinitiierung und Risswachstum optisch festzuhalten. Ziel der FE-Analysen ist letztlich die Kopplung der Prozesssimulation des Schweißvorgangs mit der Grenztragfähigkeitsberechnung für eine hinreichend genaue Abbildung des Energieaufnahmevermögens der geschweißten Struktur, welche neben der Eigenschaftsverteilung auch die Eigenspannungen und Verzug berücksichtigt. Das Forschungsvorhaben liefert grundsätzliche Erkenntnisse zum Versagensmechanismus von geschweißten Aluminiumstrukturen und seiner numerischen Modellierung, welche zunehmend bei der Auslegung an Bedeutung gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen