Modellierung strangverstärkter Verbundwerkstoffe und -profile bei hochdynamischen Stoßbeanspruchungen


Prof. Dr.-Ing. Horst Baier
Lehrstuhl für Leichtbau
Technische Universität München
85747 Garching
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Ziele

Ziel von Phase II war die Beschreibung des mechanischen und thermischen Verhaltens heterogen verstärkter Verbundprofile unter quasistatischer und zyklischer Belastung. In Phase III wurde das Verhalten von Baugruppen und Strukturen aus solchen Profilen insbesondere im Hinblick auf hochdynamische Stoßbelastung (Crash) untersucht. Dies geschah unter Berücksichtigung sowohl von Werkstoff- und Fertigungseinflüssen als auch von Effekten von Funktionselementen und Querschnittsänderungen. Die Aufgaben umfassten die Erstellung geeigneter Werkstoff- und Simulationsmodelle für Profile und Baugruppen und die Verifikation anhand von Versuchen.

 

Zusammenfassung

In Phase II wurde das strukturmechanische Verhalten von Verbundprofilen unter quasistatischer und zyklischer Belastung untersucht. Dabei wurden Herangehensweisen für eine effiziente Modellierung, experimentelle Überprüfung sowie Bewertung dieser Eigenschaften für die Konstruktion mit Verbundstrangpressprofilen erarbeitet. Eine wichtige Anforderung an leichte Tragstrukturen in Fahrzeugen ist deren geeignete Energieabsorption beim Crash. Daher wurde der Schwerpunkt der Arbeiten im TR 10darauf gelegt, das Werkstoff- und Bauteilverhaltens von homogenen und insbesondere heterogen verstärkten Verbundprofilen unter hochdynamischen Belastungen zu modellieren. Darauf basierend wurden geeignete Modelle für die Crashsimulation von Baugruppen aufgebaut. Die Interpretation der Ergebnisse und die daraus resultierenden Schlussfolgerungen für die Fertigungsprozesse waren hierbei wesentlich.

 

Aufbau der Kreuzprobe mit Patches
Aufbau der Kreuzprobe mit Patches

Die Werkstoff- und Bauteilmodelle sollten das nichtlineare hochdynamische Spannungs- Dehnungsverhalten heterogen verstärkter Profile bei großen Verformungen, Dehnungen und Dehnraten erfassen. Deshalb wurden entsprechende Modelle und Methoden weiterentwickelt  und mit Versuchsergebnissen korreliert. Ein besonderer Fokus lag dabei in der Erfassung des Verhaltens der Verstärkungselemente zusammen mit dem Grundwerkstoff. Dies erforderte eine geeignete Modellierung auf Werkstoff-, Querschnitts- und Bauteilebene. Bei den höherskaligen Modellen waren für Bauteil- und Strukturuntersuchungen geeignete Modellparametrisierungs- und auch Reduktionsmethoden zu untersuchen, umzusetzen und für die Bewertung auf Strukturebene in Teilprojekt C1 bereitzustellen. Die gewonnenen Ergebnisse mussten kontinuierlich hinsichtlich erforderlicher Rückwirkungen auf die Fertigungsprozesse einerseits und die Auswirkung auf das Bauteilverhalten andererseits interpretiert werden.

Zur Verifikation der erarbeiteten Modellierungsverfahren wurden Crashversuche an Baugruppen, bestehend aus Knoten und Profilen, durchgeführt. Neben einer geeigneten Versuchsdurchführung musste auch rechtzeitig eine Modellvalidierung auf mehreren Skalen durchgeführt werden. Diese reichte von den Proben- und Profiltests im Teilprojekt A3, über die Fügestellen in Teilprojekt A9, bis zu den Baugruppentests in C6. Geeignete Korrelationskriterien und -methoden zwischen Test- und Simulationsergebnissen waren infolge der ausgeprägten Dynamik und Nichtlinearitäten wiederum selbst Untersuchungsgegenstand.

Neben der Betrachtung von Verstärkungselementen wurde auch der Einfluss von eingebetteten Funktionselementen wie z. B. elektrischen oder optischen Leitern auf das Bauteilverhalten untersucht. Hierbei musste insbesondere sichergestellt werden, dass die Funktionselemente das Trag- und Crashverhalten nicht beeinträchtigen. Dies sollte durch ihre gezielte Positionierung im Profil erreicht werden. Des Weiteren wurde der Einfluss einer Querschnittsänderung der Profile, wie sie von Teilprojekt A1 umgesetzt wurde, auf das Crashverhalten untersucht. Durch die Applikation unterschiedlicher Triggermechanismen wie eine lokale Taillierung der Profile konnte ein Falten der selbigen provoziert werden. Somit konnte ebenfalls eine definierte Deformation mit entsprechender Energieabsorption während des Crashvorgangs erzwungen werden.