Mehr Realität in virtuellen Crashtests

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Dynamisch untersuchen, bewerten und optimieren

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Zuverlässige Modellierung und Charakterisierung von Verbindungen

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Crashsicherheit und Schädigungsmechanik

Wir entwickeln und implementieren Werkstoff- und Versagensmodelle und verwenden sie für die Crash- und Prozesssimulation. Zudem führen wir mit speziellen Versuchstechniken (beispielsweise lokale Dehnungsmessungen, Torsions- und Biaxialzugversuche) Werkstoffcharakterisierungen und Bauteilprüfungen durch. Mithilfe von Simulationen verschiedener Versuche ermitteln wir Modellparameter und validieren die Anwendbarkeit von neuen numerischen Methoden. Insbesondere werden die Einflüsse von Fertigungsprozessen auf Komponentenverhalten berücksichtigt.

Moderne CAE-unterstützte Entwicklungen erfordern belastungsgerechte Werkstoffkennwerte zur Auslegung und Sicherheitsbewertung. Für die Crashsicherheit im Automobilbereich, speziell beim Leichtbau, oder auch für unfallbedingte Stoßbelastungen (Impact) von Transportbehältern sind crash-relevante Werkstoffkennwerte in Abhängigkeit von der Dehnrate beziehungsweise Belastungsgeschwindigkeit erforderlich: Für unterschiedliche Werkstoffe und Fügeverbindungen bestimmen wir die Kennwerte mit Hochgeschwindigkeitsversuchen unter Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Video- und Infrarot-Kameras sowie optischen Auswerteverfahren. Mit unseren Bauteil-Crashtests validieren wir numerische Simulationen und liefern eine abschließende Bewertung.

Zudem charakterisieren wir Fügeverbindungen bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und bewerten sie im Hinblick auf ihr Verformungs- und Versagensverhalten. Dabei ist die Ersatzmodellierung von Fügeverbindungen für die Crashsimulation ein spezieller Schwerpunkt, da nur so die Vielzahl von unterschiedlichen Fügeverbindungen in ganzen Fahrzeugstrukturen, wo sie zu Tausenden auftreten, rechnerisch analysiert und deren Tragfähigkeit vorhergesagt werden kann. Mit Simulationen der Fügeprozesse, beispielsweise des Stanznietprozesses, ermitteln wir die Prozesseinflüsse auf die Eigenschaften der Verbindung.

Leistungen

 

  • Charakterisierung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Bauteilen, Fügeverbindungen und gefügter Bauteile unter verschiedenen Belastungsarten
  • Bauteilversuche unter realitätsnahen Belastungen sowie stoßartige Belastungsuntersuchungen von bauteilähnlichen Proben oder Komponenten mit Analyse und Bewertung
  • Untersuchung von Schädigungs- und Bruchmechanismen
  • Crashartige Werkstoff-Charakterisierung und Bestimmung von Crashkennwerten als Basisdaten für Materialkarten zur Crashsimulation sowie Bauteil-Crashtests zur Verifikation und Bewertung
  • Bewertung der Crashsicherheit von Batteriegehäusen
  • Charakterisierung und Bewertung von Leichtbaukonstruktionen, Verbindungen und neuartigen Werkstoffen unter stoß- und crashartiger Belastung
  • Entwicklung von Prüfmethoden zur Charakterisierung von Werkstoffen und gefügten Verbindungen unter komplexen ein- und mehrachsigen Beanspruchungen
  • Einsatz moderner Hochgeschwindigkeits-Messtechnik wie Hochgeschwindigkeits-Infrarotmessung und 3D-Hochgeschwindigkeits-Videoanalyse von zeitlich sich schnell ändernden Dehnungsfeldern
  • Hochgeschwindigkeits-Umformverfahren optimieren: Dynamische Nakajima-Tiefziehversuche mit detaillierten optischen 3D-Verformungsanalysen mit Hochgeschwindigkeits-Video-Kameras und ARAMIS zur Bestimmung von Grenzformänderungsdiagrammen
  • Entwicklung und Verifikation von Werkstoffmodellen und numerischen Methoden für die Crashsimulation und Prozesssimulation von Bauteilen und Fügeverbindungen
  • Charakterisierung und Modellierung des Versagens von Fügeverbindungen (Punktschweiß-, Laserstrahlschweiß-, Stanzniet- und Klebverbindungen) unter realitätsnahen Belastungen sowie Crashbelastung
  • Durchgängige Modellierung des Versagens bei Kopplung der Crashsimulation mit Umform- und Gießsimulation
  • Simulation des Strangpressens von Aluminiumprofilen mit Gefügeberechnung
  • Crashsimulation von LFT mit Kupplung zur Formfüllsimulation
  • Anlagensicherheit bei Störfällen (Bruchdynamik): Bruchdynamische Werkstoffcharakterisierung bei hohen Rissbeanspruchungsraten zur Analyse dickwandiger Strukturen mit Riss
  • Bewertung und Optimierung von Prozesseinflüssen mit Fügeprozesssimulationen wie Stanznieten oder Schweißen

Verindungen analysieren und simulieren (PDF)

Auswirkungen von Materialschädigungen auf das Einsatzverhalten von Bauteilen

Verformungs- und Versagensverhalten einer Werkstoff-Verbindung

Globales und lokales Materialverhalten von Faserverbundstrukturen

Themen

 

Verformungs- und Versagensverhalten von Werkstoffen und Bauteilen


Relevante Charakterisierung des Verformungs- und Versagensverhaltens eines Werkstoffs sind die notwendigen Voraussetzungen für zuverlässige Auslegung und numerische Simulation. Im IWM stehen spezielle Versuche wie z.B. unter Zug-, Druck- und Scherbelastung zur Untersuchung des Einflusses der Mehrachsigkeit und des Belastungstyps auf das Versagensverhalten zur Verfügung...

 

Versagensmodelle für Crashsimulation


Im Fraunhofer IWM sind Werkstoffmodelle entwickelt worden, die das Verformungs- und Versagensverhalten von neuen Werkstoffen genau beschreiben und in kommerziellen Crash-Codes als User-Materialroutine integriert sind. Zum Beispiel stehen zur Modellierung des Versagens mikromechanische Schädigungsmodelle und phänomenologische Modelle mit Berücksichtigung von Waben- und Scherbruch zur Verfügung. Zur...

 

 

 

Modellierung des Versagensverhaltens von langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT)


Das Bauteilverhalten von LFT wurde durch Kopplung zwischen Formfüll- und Crashsimulation gut vorhergesagt. Dabei wurden die Verteilungen der Faserorientierung und –stärke bei der Simulation berücksichtigt. Das Werkstoffmodell beruht auf Homogenisierungsmethoden. In einem ersten Schritt werden die unidirektionalen...

 

 

 

Crashsimulation 


Zur Bewertung der Crashsicherheit von verschiedenen Komponenten und zur Validierung von eingesetzten Werkstoffmodellen werden Crashsimulationen durchgeführt und mit Komponentenversuchen verglichen. Die kommerziellen Crash-Codes PAM-CRASH, LS-DYNA und ABAQUS werden häufig in Verbindung mit User-Materialmodellen verwendet. Zur Berücksichtigung der Einflüsse von Fertigungsprozessen auf das Crashverhalten können z.B...

 

Verformung und Versagen von Leichtbauwerkstoffen unter Crashbelastungen

 

Schwerpunkt ist die dehnratenabhängige Charakterisierung verschiedener Leichtbauwerkstoffe wie höchstfeste Stähle, Leichtmetalle, Schäume, FVK und Fügeverbindungen bei mehrachsigen Beanspruchungen von quasistatischen bis zu crashrelevanten Belastungsgeschwindigkeiten...

 

Dynamisches Bauteilverhalten


In Bauteilen können dynamische Beanspruchungen beim Betrieb oder bei unfallbedingten Ereignissen aufgrund von kurzzeitigen, stoßartigen Belastungen auftreten. Beispiele von Bauteilen aus dem Maschinenbau oder der Kraftwerktechnik sind Wellen oder Turbinenschaufeln, die durch Sonderbelastungen schlagartig beansprucht werden können. Im Fahrzeugbau sind crashartige Belastungen der wesentliche Auslegungsfall. Die dabei zu berücksichtigenden und mit den...

 

Bruchdynamik


Beim Betrieb technischer Anlagen können kurzzeitige, stoßartige Sonderbelastungen auftreten. Eine Sicherheitsbewertung erfolgte bisher in Anlehnung an die Vorgehensweise bei statischer Belastung mit zusätzlichen Sicherheitsfaktoren zur Berücksichtigung dynamischer Effekte. Für derartige Belastungssituationen wurden Hochgeschwindigkeits-Prüfverfahren entwickelt, sowie probabilistische, bruchmechanische Bewertungsmethoden anhand des Masterkurvenkonzepts an...

 

 

Ersatzmodellierung für die Crashsimulation


Die Voraussetzungen für eine zuverlässige und realisierbare Beschreibung des Versagens von gefügten Verbindungen in Crashsimulationen sind die Bereitstellung von speziellen Elementen, sogenannten Ersatzmodellen und die Ermittlung ihrer Eingangsdaten. Für Punktschweißverbindungen wurden am Fraunhofer IWM ein einfaches, effizientes Ersatzmodell und ein Verfahren zur Bestimmung der Versagensparameter...

 

Modellierung von Verformung und Versagen von Schweißpunkten in Presshartstahl


Die Entwicklung neuer hochfester Stähle für den Einsatz im Automobilbau schafft Leichtbaupotentiale, die dünne Wandstärken und geringes Gewicht mit hoher Festigkeit, Steifigkeit und passiver Sicherheit verbinden. Beim Schweißen pressgehärteter, borlegierter Stähle aus 22MnB5 bilden sich sogenannte Erweichungszonen, die gegenüber dem umgebenden Material deutlich reduzierte Festigkeiten aufweisen...

 

Erweitertes Ersatzmodell für Stanznietverbindungen


Die mechanische Fügetechnik bietet den Vorteil auch Mischverbindungen aus artverschiedenen Werkstoffen prozesssicher realisieren zu können, ohne dass die positiven Werkstoffeigenschaften durch thermische Beeinflussung herabgesetzt werden. Folglich wird im Automobilbau zur Realisierung des Multi-Material-Mixes eine Vielzahl mechanischer Verbindungstechniken wie das Halbhohlstanznieten und das...

 

Modellierung von Klebeverbindungen


Klebeverbindungen haben im Leichtbau gegenüber mechanischen Verbindungselementen Vorteile, u. A. durch Vermeidung lokaler Belastungskonzentrationen. Zur sicheren Bauteilauslegung muss das Trag- und Versagensverhalten der Klebeverbindung bekannt sein. Die für diesen Zweck einsetzbare Simulationsmethodik mit Kohäsivzonen-Ersatzmodellen muss möglichst genau, aber auch effizient sein. Hierzu erfolgt am Fraunhofer IWM eine experimentelle Charakterisierung der Klebung unter Berücksichtigung aller nötigen Einflussfaktoren, wie z.B. Belastungsrate, Temperatur, Feuchtigkeit, und anschließende Modellierung. Lokale Effekte können zusätzlich durch detaillierte, kontinuumsmechanische Modellierung des Deformations- und Schädigungsverhaltens untersucht und dann in die effiziente Ersatzmodellierung integriert werden.

 

Eigenspannungs- und Verzugsberechnung beim Schweißen


Aufgrund der inhomogenen Erwärmung beim Schweißen entstehen Eigenspannungen und Bauteilverzüge. Diese beeinträchtigen die Qualität und Funktionalität des Bauteiles und können darüber hinaus Schädigungen wie Risse hervorrufen und/oder die Lebensdauer beeinträchtigen. Die Eigenspannungen und der Verzug bedingen sich gegenseitig, wobei ihre Entstehung von...

 

Abschätzung der Tragfähigkeit eines punktgeschweißten Blechs mit Erweichungszone 

 

Das Punktschweißverfahren ist nach wie vor das verbreitetste Fügeverfahren im Karosseriebau. Dabei werden vermehrt hochfeste Stähle eingesetzt und verschweißt. Jedoch weisen hochfeste Stähle wie 22MnB5 und HCT980C durch die Wärmebehandlung während des Schweißprozesses eine Erweichungszone um den Schweißpunkt auf...

 

Publikationen zum Thema Crashsicherheit und Schädigungsmechanik

 

Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...