On-line damage detection and monitoring at thin sheet joints for deriving failure criteria^*

Détection et surveillance de dommages aux joints de tôle fine pour la détermination des critères de défaillance

¹ Chair for System Reliability and Machine Acoustics SzM, Technical University Darmstadt, Germany
e-mail: halvar.schmidt@lbf.fraunhofer.de
² Laboratory of Material and Joining Technology LWF, University of Paderborn, Germany
³ Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF, Darmstadt, Germany

Received: 8 November 2010
Accepted: 26 July 2011

Abstract

Determined fatigue strength characteristics of self-piercing riveted, spot-welded and laser beam welded specimens made of steel and aluminum thin sheets as well as their failure behavior are analyzed and compared. Various methods for on-line damage detection and monitoring are applied and evaluated in this context. The analysis of stiffness and frequency are accentuated as methods, which are easy to use and appropriate to detect the initiation of a technical size crack. Correlations between the degree of damage and the change in stiffness or frequency are set up experimentally and verified numerically via finite element analysis (FEM). The failure criteria “initiation of a technical size crack” (a ≥ 0.5 mm) and “rupture” are recommended for evaluating different joining techniques with regard to their fatigue strength. The presented investigations are based on a multitude of fatigue tests under constant amplitude loading conducted in the context of two joint research projects.

Résumé

Les caractéristiques de la résistance à la fatigue des pièces « self-piercing » rivetés (SPR), soudés par point ainsi que par laser fait des tôles fines en acier et en aluminium ainsi que leur comportement à la rupture sont analysés et comparés. Diverses méthodes pour la détection et la surveillance de dommages sont appliquées et évaluées dans ce contexte. L’analyse de la rigidité et de la fréquence sont adoptées comme méthodes, du fait qu’elles sont faciles à utiliser et appropriées pour détecter l’initiation d’une fissure. Les corrélations entre le niveau de dommages et le changement de la rigidité ou de la fréquence sont élaborées expérimentalement et vérifiées numériquement à l’aide de la méthode des éléments finis (MEF). Certains critères de défaillance sont nécessaires pour évaluer les différentes techniques d’assemblage concernant leur résistance à la fatigue. Les présentes investigations sont basées sur une multitude d’essais de fatigue sous amplitude constante, conduites dans le cadre de deux projets de recherche communs.