Simulationsverfahren für crash-sichere Leichtbaustrukturen

Das Heidenheimer Ingenieurbüro Merkle und Partner entwickelt ein neuartiges Simulationsverfahren zur genaueren Auslegung crashsicherer, komplexer Leichtbaustrukturen.

Jeder kennt den Sicherheitsgurt im Auto, aber nur wenigen ist bewusst, dass das Gurtschloss bei einem Verkehrsunfall mit bis zu drei Tonnen belastet wird. Würde man das Gurtschloss ausbauen und statisch ein Gewicht daran hängen, würde das Schloss bei ca. einer Tonne reißen. Bei einem Unfall kann die Belastung des Gurtschlosses aber wesentlich höher sein, ohne dass ein Bruch auftritt. Wie ist das möglich?

Eine Erklärung dafür ist, dass Werkstoffe bei einer schnellen, kurzzeitigen Belastung höhere Belastungen ertragen als bei einer statischen Last. Diesen Effekt nennt man Dehnratenabhängigkeit, weil die Dehnung (Längenänderung zur Ausgangslänge) mit einer gewissen Geschwindigkeit aufgebracht wird. Hohe Dehngeschwindigkeiten (gemessen in 1/s), auch Dehnraten genannt, treten zum Beispiel bei einem Crash auf. Aber auch wenn ein Rasierer oder ein Handy auf den harten Boden fällt, kommt es zu enormen Dehngeschwindigkeiten.

Um solche Vorgänge rechnerisch bei der Bauteilentwicklung genauer zu simulieren, werden Materialkenndaten benötigt, die diesen Effekt berücksichtigen. Für die Auslegung moderner Cockpits werden heute umfangreiche Crash-Simulationen durchgeführt, welche zu einer enormen Steigerung der Sicherheit bei Unfällen geführt haben.

Die Materialkenndaten sind aber oft nicht bekannt und müssen aufwendig gemessen werden. Doch derartige Messungen sind nicht einfach. Mittels so genannter Schnellzerreißmaschinen misst man nämlich nicht nur die Kraft-Weg-Kurve der Probe, sondern zusätzlich die dynamischen Effekte der Prüfmaschine. Man braucht oft viel Phantasie, um hier vernünftige Materialgesetze ableiten zu können, insbesondere, wenn die Geschwindigkeiten sehr hoch sind.

Wie kommt ein Berechnungsingenieur der Firma Merkle & Partner an möglichst genaue Werkstoffdaten, um gute Crash-, Fall- oder Containment-Untersuchungen für Kunden durchführen zu können?

Wie kann man zudem neue Verfahren aus dem Bereich der Optoelektronik nutzen, um nicht nur eindimensionale Messkurven (Kraftverlauf über die Zeit), sondern ganze Verschiebungsfelder über die Zeit zu messen?

Gemeinsames Forschungsprojekt

Diese Gedanken führten zu einem gemeinsamen Forschungsprojekt von drei Industriepartnern (Merkle & Partner GbR, Fiedler Optoelektronik GmbH, Keim Kunststofftechnik GmbH) und zwei Forschungseinrichtungen (Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Hochschule Aalen – Institute of Polymer Science and Processing (iPSP, Prof.Dr.-Ing. Achim Frick), das jetzt erfolgreich abgeschlossen wurde.

Das Projekt „Entwicklung eines neuartigen Systems zur Herstellung von effizienten Leichtbaustrukturen“ (Molli) wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und hatte zum Ziel, ein Messsystem zur zuverlässigen und schnellen Ermittlung von dehnratenabhängigen Werkstoffkennwerten aufzubauen, um so eine bessere Qualität bei der Berechnung von Bauteilen zu erreichen. Koordiniert und betreut wurde das Kooperationsvorhaben von der Innovationsberatung EurA AG in Ellwangen.

Die Arbeiten im Rahmen des Forschungsprojektes führten in der Tat zu einem stark verbesserten Messaufbau, der auch bei sehr schnellen Verformungsvorgängen robuste und reproduzierbare Messergebnisse erzeugt. Mit dem integrierten optischen System können Verschiebungsfelder erfasst werden, was die Messung lokaler Dehnungen ermöglicht und beispielsweise zur Bestimmung der Querkontraktion eingesetzt werden kann.

Mit dem neuartigen System ist es somit möglich, dehnratenabhängige Werkstoffkennwerte für Materialien wie Stahl, Aluminium, Kunststoffe, faserverstärkte Kunststoffe und Elastomere experimentell zu bestimmen. Diese Daten können anschließend zur numerischen Berechnung von Stoß- und Fallvorgängen, Untersuchung des Crash-Verhaltens und Containment-Simulationen genutzt werden. Dadurch gelingt eine realitätsnahe Finite Elemente-basierte Simulation, was wiederum Voraussetzung für die Entwicklung von sicheren und gleichzeitig leichten Crash-Strukturen ist. Ein aktuelles Anwendungsbeispiel sind Elektrofahrzeuge und deren Komponenten. In besagtem Kooperationsprojekt waren die unterschiedlichen Expertisen der Partner von Vorteil.

Benötigt wurden Kompetenzen in der Messtechnik (schnelle Messdatenerfassung und softwareunterstützte Auswertung), werkstofftechnische Kenntnisse zum Verformungsverhalten und der Modellierung metallischer und polymerer Werkstoffe, Know-how in der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen sowie Erfahrungen in der numerischen Simulation mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode und der softwareseitigen Implementierung experimentell gemessener Daten.

Fiedler Optoelektronik entwickelte die Hard- und Software für die Messtechnik. Zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erfolgte die Umsetzung, Feinjustierung und Verifizierung einer Versuchsdurchführung unter Verwendung einer dort verfügbaren, hochdynamischen Schnellzerreißmaschine. Die besondere Herausforderung war dabei, ein messtechnisches Verfahren zu entwickeln, das für eine Vielzahl von Werkstoffen anwendbar ist.

Die Versuche wurden mit Proben aus unterschiedlichsten Werkstoffen von Stahl bis Polymer bei unterschiedlichen Dehngeschwindigkeiten durchgeführt. Merkle & Partner konnte die Anforderungen an die aufbereiteten Versuchsdaten stellen und entwickelte einen effizienten Weg zur direkten Ableitung von Werkstoffmodellen für die numerische Simulation.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Experte auf dem Gebiet der Werkstofftechnik, Prüfung und Modellierung metallischer Werkstoffe, übernahm ebenfalls die Herstellung der metallischen Proben.

Die Hochschule Aalen (iPSP) fertigte Proben aus polymeren Werkstoffen unterschiedlicher Steifigkeitsklassen, analysierte die Proben werkstofftechnisch und erforschte den Einfluss verschiedener Zuschlagstoffe und möglicher Störstellen (Lunker, Bindenähte) auf die mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, Festigkeit, Verformungsverhalten). Diese Proben samt zugehöriger Daten wurden den Partnern zur Verfügung gestellt. Mithilfe dieser Kenntnisse konnten bei Merkle & Partner z.B. Methoden für die Montage- und Demontagesimulation von polymeren Formteilen weiterentwickelt werden.

Die Hochschule Aalen entwickelte insbesondere für die Beschreibung des hochdynamischen Verformungsverhaltens von Elastomeren geeignete Modellansätze, die für die Simulation nutzbar sind.

Keim Kunststofftechnik konzentrierte sich auf die Entwicklung von leichten Faserverbundstrukturen und die Herstellung repräsentativer, endlosfaserverstärkter Proben für die Untersuchung und Qualifizierung mittels des neuartigen Messsystems. Es konnte ein Prototyp eines Herstellungsverfahrens mit entsprechender Maschine entwickelt werden, mit der endlosfaserverstärkte Strukturen mit kraftflussoptimierter Lage der Fasern erzeugt werden können.

Die Proben wurden Fiedler Optoelektronik und dem KIT für die Untersuchung des dehnratenabhängigen Verformungsverhaltens und der HSAA-iPSP zur werkstofftechnischen Analyse und Bewertung bereitgestellt.

Von Merkle & Partner wurde die am KIT eingesetzte Schnellzerreißmaschine als numerisches Modell aufgebaut. Somit war es möglich, die Funktionsweise der Maschine verfahrenstechnisch zu optimieren und den Einfluss verschiedener Einstellungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel der Maschinensteifigkeiten, zu untersuchen.

Anhand der numerischen Spannungs-Dehnungs-Kurven war es möglich, Effekte in den gemessenen Spannungs-Dehnungs-Kurven nachzuvollziehen und zu interpretieren.

Dehnratenabhängige Werkstoffkennwerte zuverlässig ermittelt

Insgesamt hat das Kooperationsprojekt ein Messsystem zur zuverlässigen und schnellen Ermittlung von dehnratenabhängigen Werkstoffkennwerten hervorgebracht. Die damit ermittelten Daten lassen sich in Simulationsrechnungen implementieren und ermöglichen die Unterstützung bei der Entwicklung neuartiger Strukturen, so etwa im Leichtbau.

Simulation und Versuch werden oftmals als konkurrierende Gebiete verstanden. Nutzt man aber, wie im vorliegenden Fall, die jeweiligen Stärken aus und kombiniert diese, führt dies zu besseren und genaueren Simulationsmodellen. Potenzialreserven in Bauteilen können so bereits optimiert werden, bevor ein einziges Bauteil gebaut worden ist.

Bild: Messaufbau Schnellzerreißmaschine.

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