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Formgebung mehrachsig starkgekrümmter Stahlbleche mit lastangepassten Versteifungsrippen

Bäcker, Frederic :
Formgebung mehrachsig starkgekrümmter Stahlbleche mit lastangepassten Versteifungsrippen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Formgebung mehrachsig starkgekrümmter Stahlbleche mit lastangepassten Versteifungsrippen
Language: German
Abstract:

Die Versteifung schalenförmiger Tragstrukturen mit Rippen ist ein etabliertes Prinzip des konstruktiven Leichtbaus. Rippenbleche aus metallischem Werkstoff finden beispielsweise Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau und der Architektur. Zu den Vorteilen dieser Bauweise zählt die Möglichkeit, Rippen gemäß der vorherrschenden Lastsituation optimal anzuordnen und die Verrippung einer Tragstruktur mit ihrer mehrachsigen Krümmung zu kombinieren. Aus Sicht der Fertigung stellen genau diese Eigenschaften eine Herausforderung dar, insbesondere wenn gleichzeitig die Werkstoffwahl auf einen Stahl fällt. Ein großer Fertigungs-, Montage- und Fügeaufwand kennzeichnet z. B. die Differentialbauweise. Die Integralbauweise durch Gussverfahren bedingt eine gussgerechten Konstruktion und schränkt zudem die Materialauswahl ein. Trennende Verfahren führen auf eine schlechte Materialausnutzung, lange Prozesszeiten und einen hohen Werkzeugverschleiß. Als Alternative umgehen die Fertigung ebener Rippenbleche und ihre anschließende Umformung diese Nachteile, indem sie die Verzweigung des Querschnitts von der Formgebung trennen und für beide Schritte die Wahl der jeweils bestgeeigneten Verfahren zulassen. Als besonders vorteilhaft hat sich in Vorarbeiten eine Prozesskette aus Laserschweißen und Hochdruck-Blechumformung erwiesen. Beide Prozesse sind industriell etabliert, ermöglichen die Verarbeitung von Stahl und eignen sich für eine Serienproduktion. Diese Arbeit beschreibt einen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Vorgehensweise. Hierzu analysiert sie die vorherrschenden Versagensarten der HBU von Rippenblech, die das herstellbare Bauteilspektrum limitieren und leitet Maßnahmen zu ihrer Umgehung und zur Erweiterung der zugehörigen Verfahrensgrenzen ab.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Stiffening load carrying surface structures with ribs or "stringers" (i.e. adding bifurcations to the cross section) is common practice in light weight design. Stringer sheets made of metal for instance are being used in the aerospace and automotive industry as well as in architecture. Advantages of this type of design include the possibility to shape and position stiffener ribs according to specific loading scenarios and to combine this approach with complexly curved surfaces. However, it is exactly these properties that pose challenges to the manufacture of such load carrying structures especially if steel is used as a material. A differential design approach (i.e. to create and form sheets and stringers separately and join them afterwards) results in unacceptably high productions cost especially during assembly. Integral design approaches on the other hand such as casting pose significant restrains on the freedom of design and material choices. Finally, cutting stringer sheet structures out of solid blocks (as used in some aerospace applications) leads to extremely poor material usage, long production times and excessive tool wear per part. As an alternative the joining of flat sheets and preformed stringers in order to create an intermediate preform evades these challenges entirely by separating the bifurcation of the cross section from a subsequent forming operation. In preliminary work a process chain of laser-welding and sheet metal hydroforming has proven to be particularly effective in producing multi curved stringer sheet structures made of steel. Both processes are well established in the industry and suitable for mass production. The dissertation at hand contributes to the further development of this process chain by analyzing its current limitations in terms of producible shapes and proposing strategies to avoid or extend them. The results include a detailed description of characteristical failure modes such as wrinkling of the stringers, cracking of the sheet near the stringer ends, positioning errors of the stingers on the finished part and unfamiliar springback phenomena. In order to master these challenges the thesis presents a detailed discussion of possible modeling strategies for the finite element analysis of stringer sheet forming as well as some analytical and numerical approaches to an adapted process control and some general design guidelines for stringer sheet parts with special provision to manufacturability.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Rippenblech; Stegblech; Umformung; Tiefziehen; Hochdruck-Blechumformung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Forming, Sheet Metal, Stringer Sheets, Hydroforming, Deep DrawingUNSPECIFIED
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 670 Industrielle Fertigung
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Production Engineering and Forming Machines (PtU)
Date Deposited: 25 Aug 2015 06:48
Last Modified: 18 Mar 2016 09:35
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49341
Identification Number: 6595
Referees: Groche, Prof. Dr. Peter and Ulbrich, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 28 April 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4934
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