Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter May 26, 2013

Development of a model for the stiffness and life time prediction of self piercing riveted joints in automotive components*

Entwicklung eines Models zur Vorhersage der Steifigkeit und Lebensdauer von Stanznietverbindungen bei Automobilteilen
Helmut Dannbauer, Christian Gaier, Eberhard Dutzler and Csaba Halaszi
From the journal Materials Testing

Abstract

Stiffness and strength behaviour of light weight components in the automotive industry are significantly affected by the properties of the joints. The applied joining process, the number and the location of the spot joints have thus a large technological and economic influence. The strength of spot welds can only marginally be increased by the strength of the applied plate material. By application of high strength steels the utilization of mechanical joining techniques like self piercing riveting is recommended which exhibit higher strengths. Because of light weight design and safety aspects the application of high strength steels in the development of car bodies becomes increasingly important. For an efficient design and optimization of these complex structures reliable CAE techniques are required. For spot welding suitable models for the evaluation of strength and life time of complex structures like car bodies have already been developed, but sufficient models for calculation of self piercing riveted joints are not existent up to the present, because the strength properties of mechanical joints are more difficult to integrate. For this reason, a substitution model has been created which accounts for a correct local stiffness and enables life time assessments. The model has been calibrated based on test data and by parameters like material properties, plate thickness, rivet diameter and their combinations into account. The result is a substitution model similar to that applied to spot welding, but by consideration of additional parameters to achieve a good agreement with the experiments. Summarizing, the substitution model covers all parameters (plate thickness, rivet diameter) which are relevant in the automotive and light truck industry.

Kurzfassung

Steifigkeit und Festigkeitsverhalten von Leichtbauteilen in der Automobilindustrie werden massiv durch die Eigenschaften ihrer Fügeverbindungen beeinflusst. Die verwendete Fügetechnologie, die Anzahl und die Lage der Punktfügungen haben dabei sowohl einen großen technischen als auch wirtschaftlichen Einfluss. Das Festigkeitsverhalten von Punktschweißungen lässt sich allein durch die Erhöhung der Festigkeit des Blechs nur sehr gering erhöhen. Durch die Verwendung von hochfesten Stählen ist daher die Verwendung von mechanische Fügetechnologien wie Stanznieten oder Durchsetzfügen empfehlenswert, da sie sich durch höhere Festigkeitswerte auszeichnen. Durch Leichtbauweise und Sicherheitsaspekte wird die Bedeutung von höherfesten Stählen in der Karosserieentwicklung immer größer. Für eine effiziente Konstruktion und Optimierung dieser komplexen Strukturen werden zuverlässige CAE-Techniken benötigt. Bei Punktschweißungen bestehen bereits gute Modelle für die Bewertung der Steifigkeit und der Lebensdauer für komplexe Strukturen, wie z.B. Karosserien, aber es gibt noch keine ausreichenden Berechnungsmodelle für Stanznietverbindungen, da die Festigkeitseigenschaften für mechanische Fügungen wesentlich schwieriger abzubilden sind. Daher wurde ein Ersatzmodell entwickelt, das die korrekte lokale Steifigkeit abbildet und eine Bewertung der Lebensdauer ermöglicht. Basierend auf Daten aus Probenversuchen wurde das Ersatzmodell kalibriert, wobei Parameter wie Materialeigenschaften, Blechdicke, Stanznietdurchmesser und deren Kombinationen berücksichtigt wurden. Das Ergebnis daraus ist ein Ersatzmodell ähnlich dem, das bereits bei Punktschweißungen Verwendung findet, unter der Berücksichtigung von zusätzlichen Parametern, um eine gute Übereinstimmung mit dem Versuch zu erreichen. Zusammenfassend deckt das Ersatzmodell jene Größen ab (Blechdicke, Stanznietdurchmesser), wie sie im Automobil- und im leichten Nutzfahrzeugbau Verwendung finden.


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This contribution was already published in German in the DVM-Report 132 — Joining and Fatigue

Dipl.-Ing. Helmut Dannbauer studied at the Technical University in Vienna. Since eight years he is head of structural analysis department (FEA+MBS+software development & sales) at the Engineering Center Steyr GmbH & Co. KG.

Dr. Christian Gaier studied at the Techni- cal University in Vienna. Since nine years he is head of software development Femfat at the Engineering Center Steyr GmbH & Co. KG.

Ing. Eberhard Dutzler studied in Steyr. Since four years he is working in the support and sales group of Femfat at the Engineering Center Steyr GmbH & Co. KG.

Dipl.-Ing. Csaba Halaszi studied at the Technical University in Budapest and is working since four years in the software development Femfat at the Engineering Center Steyr GmbH & Co. KG.


References

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4 Hahn, O.; Peetz, A.: Untersuchung zur Fertigung sowie zum Festigkeits- und Alterungsverhalten hybrid gefügter Aluminiumfeinbleche am Beispiel Stanznieten-Kleben, Band 47, Shaker Verlag, Aachen (2001)Search in Google Scholar

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Published Online: 2013-05-26
Published in Print: 2006-11-01

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