Leichtere Außenhautteile durch neuartigen Ansatz der Beulsteifigkeit

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HBS Bolzenschweiss-Systeme GmbH & Co. KG

Je stärker die Krümmung der Ausgangsgeometrie, desto stärker ist die Aufbiegung des Bauteils in seine Sollform und umso ausgeprägter sind die Spannungszustände, die bei der Beulbeanspruchung im Blech herrschen. Ausgehend von unterschiedlich gekrümmten Ausgangsgeometrien zeigten analytische Berechnung und numerische Simulation bereits vielversprechende Ergebnisse und eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der erzielbaren Steigerung der Beulsteifigkeit durch die elastische Vorspannung der Teile.

Übertragung auf reale Karosserie-Außenhautteile

Für die experimentelle Validierung mit einer typischen Aluminium-Außenhautgüte wurden verschieden gekrümmte Ausgangsgeometrien hergestellt. Der Einsatz eines eigens entwickelten thermisch unterstützen Umformverfahrens ermöglichte dabei die Beibehaltung der Ausgangsblechdicke in den Bauteilen. Die Beulprüfung erfolgte auf dem Prüfstand des ZUK, wobei die Bauteile in einer robusten Vorrichtung in ihre Sollform gezwungen wurden. Dabei konnte eine Zunahme der initialen Beulsteifigkeit durch die elastische Vorspannung von Ausgangs- auf Sollgeometrie um bis zu 14 % nachgewiesen werden.

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Durch die Aufbiegung des Bauteils aus seiner Ausgangs- in seine Sollform entsteht eine Spannungsverteilung über dem Blechquerschnitt. Zug- und Druckfedern symbolisieren die Vorspannung und verdeutlichen ihren Effekt auf die Reaktionskraft des Blechs.

Zunahme der initialen Beulsteifigkeit einachsig gekrümmter Versuchsteile mit zunehmender Vorspannung. Beispielsweise entspricht die Krümmung „20p“ dabei einer Ausgangsgeometrie mit gegenüber der Sollgeometrie um 20 % verkürzten Sekantenlänge. Die Abweichungen von etwa 5 N/mm zwischen Simulation und Experiment erklären sich durch den E-Modul des realen Werkstoffs sowie die Modellierung der Randbedingungen.

Prozentuale Zunahme der Beulsteifigkeit der Schiebedachbeplankung durch induzierte Spannungen an sechs Prüforten über der Oberfläche. Ergebnisse aus numerischer Berechnung mit Ansys Workbench R17.

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Die maßgebliche Herausforderung besteht nun in der Übertragung der Erkenntnisse auf reale Karosserie-Außenhautteile. Als Demonstrator-Baugruppe wurde zunächst ein Schiebedachsegment mit einer zweifach gekrümmten Außenhaut aus Aluminium in der Nennblechdicke 1,0 mm und einem steifen Strukturteil aus Stahlblech gewählt. Die daran durchgeführten Untersuchungen demonstrieren, wie durch den Einsatz der neuen Methodik die Beulsteifigkeit erhöht und infolgedessen die Blechdicke und das Bauteilgewicht reduziert werden können.

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Stand vom 15.04.2021

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HS Heilbronn

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