Virtuelle Versagensprognose

Bild 1a (links) : KSII Probengeometrie mit Belastungsrichtungen, Bild 1b (oben): Umhüllende Versagensfläche

Bild 2 Beschreibung der Versagenslasten in LS-Dyna über eine Hüllkurve Bild 3 a (links): Mit finiten Elementen diskretisierte KSII-Probe, Bild 3b (oben): diskretisierte, idealisierte Bauteil- geometrie zur Validierung

Berechnung eines Fahrzeugaufpralls mit LS-DYNA Bild: Opel

Nicht erst seit CO2-Bilanz und Elektromobilität in aller Munde ist, kämpfen Automobilhersteller und Zulieferer um jedes Kilogramm überflüssiges Gewicht in den Fahrzeugen. Eingezwängt in ein enges Korsett aus Richtlinien und Vorschriften müssen Entwicklungsingenieure heutige Fahrzeuggenerationen im Hinblick auf die gestiegenen Sicherheitsbedürfnisse ihrer Kunden entwickeln. Auf dem Weg dorthin werden vermehrt hoch und höchstfeste Werkstoffe, wie klassischerweise Stahl oder Aluminium, aber jüngst auch zunehmend Verbundwerkstoffe eingesetzt, um durch die höheren Festigkeiten Material einzusparen.

Zur Erlangung der begehrten Euro-NCAP(New Car Assessment Programme)-Sterne ist ein nicht zu unterschätzender Aufwand zu treiben: Während in der Vergangenheit die Absicherung einzelner Entwicklungsstände regelmäßig durch Hardware-Versuche erfolgte, werden diese zunehmend durch virtuelle Versuche ersetzt. Damit steigen die Anforderungen an die finite Elemente Systeme extrem an, Versagen belastbar zu prognostizieren. Nicht mehr nur das reine Materialversagen im Bauteil, also der Verlust der Werkstoffintegrität, sondern insbesondere auch die Festigkeit der Verbindungselemente zwischen einzelnen Bauteilen ist nun von nicht zu unterschätzender Bedeutung. Bei der Vielzahl an Verbindungstechniken, wie zum Beispiel MIG-Schweißen, Punktschweißen, Kleben, Clinchen oder Nieten unterschiedlichster Werkstoffkombinationen, besteht die Notwendigkeit durch klar strukturierte experimentelle Untersuchungen die jeweiligen Versagensgrenzen auszuloten, mechanische Modell abzuleiten und als Computermodell in Berechnungsprogramme zu implementieren. Selbstverständlich sind diese Modelle zu verifizieren und anschließend zu validieren, damit schließlich prognosefähige Aussagen für die Crashberechnung erhalten werden können. Nachfolgend soll diese Vorgehensweise exemplarisch anhand des Punktschweißens erläutert werden.

Zum Verständnis und zur Charakterisierung der Fügeverbindung werden seit Jahren so genannte KSII-Probengeometrien, siehe Bild 1a, bestehend aus zwei gegeneinander mit jeweils einem Schweißpunkt gefügten U-Profilen diversen Belastungsrichtungen und -geschwindigkeiten unterzogen. In Bild 1b ist exemplarisch die Hüllfäche für die den Belastungsrichtungen zugehörigen Versagenslasten dargestellt. Erkennbar ist zudem auch eine starke Abhängigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit, die ebenso wie die unterschiedlichen Materialien der Fügepartner, die Dicke der Blechflansche und die Schweißparameter die Festigkeit der Verbindung beeinflussen. In einem zweiten Schritt werden aus den ermittelten Versuchsdaten Gesetzmäßigkeiten abgeleitet und mechanische Modelle entwickelt. Im vorliegenden Fall können die Versagenslasten in LS-Dyna zum Beispiel über eine Hüllkurve beschrieben werden, siehe Bild 2.

Hierbei steht der Index n für die Normalkraftkomponente, b für die Biegekomponente und s für die Schubkomponente der entsprechenden Verbindungsbeanspruchung. Im Nenner stehen wie üblich die Vergleichsspannungen, der Zähler liefert die aktuell im Versuch gemessene beziehungsweise nun mehr im Modell berechnete Beanspruchungsgröße. Die Diskretisierung mit finiten Elementen geschieht in der Regel über ein Balkenelement oder ein beziehungsweise mehrere Kontinuumselemente. Letzteres hängt selbstverständlich sehr stark von der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ab, werden doch derzeit etwa 6000 einzelne Schweißpunkte in Gesamtfahrzeugmodellen abgebildet. Bei Erreichen des Versagenskriteriums werden die Elemente der Verbindung gelöscht und die beiden Flanschpartner können sich bei weiterer Belastung voneinander trennen. An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass durch die in der Crashberechnung eingesetzten expliziten Zeitintegrationsverfahren beliebig kleine Elemente zu einem beliebig kleinen Zeitschritt führen. Dies diktiert vice versa die relativ grobe Abbildung von Schweißpunkten mit nur einem oder gar wenigen finiten Elementen und führt darüber hinaus zum Einsatz von verschmierten Ansätzen für die Versagensbeschreibung. Mit zunehmender Rechenleistung wird aber auch hier in Zukunft die Modelltechnik verfeinert werden können.

Nachmodellierung des Versuchsaufbaus

Die Kalibrierung der Versagensparameter erfolgt durch Nachmodellierung des Versuchsaufbaus, siehe Bild 3a. Das heißt, dass die oben genannten KSII-Proben sowie zusätzliche Validierungsgeometrien (beispielsweise Komponentenversuche, vgl. Bild 3b) per Finite Elemente Methode nachgerechnet werden und anhand der gemessenen Versuchdaten die Modellparameter angepasst werden. Wie bereits erwähnt ist diese Vorgehensweise für sämtliche im Fahrzeug vorkommenden Fügepartner vorzunehmen. Zusätzlich sind die entsprechenden Versuche und Kalibrierungsrechnungen bei unterschiedlichen Belastungsgeschwindigkeiten vorzunehmen, da in der Regel eine starke Dehnratenabhängigkeit der Fügeverbindung beobachtet werden kann. Dies bedeutet einen nicht unerheblichen Aufwand, um schließlich eine höhere Vorhersagegenauigkeit zu erhalten.

Schlussendlich ist mit dieser Vorgehensweise unter bestimmten Voraussetzungen eine virtuelle Versagensprognose für Schweißpunkte möglich. Diese oder ähnliche Methoden und Modelle werden zwischenzeitlich in zunehmendem Umfang bei den Fahrzeugherstellern eingesetzt – allerdings existieren neben dem klassischen Punktschweißen weitere Verbindungstechniken im Gesamtfahrzeug. So beeinflussen sich die Versagensmodi mehrerer Verbindungstechniken innerhalb eines Flansches gegenseitig, was schließlich die virtuelle Beherrschung aller Verbindungstechniken erfordert. Letztlich sind entsprechende experimentelle Untersuchungen für Klebenähte, MIG-Schweißnähte oder auch Punktschweißklebenähte ebenso notwendig wie die zugehörige Kalibrierung anhand entsprechender finite Elemente Modelle.

Mit zunehmendem Materialmix in den Fahrzeugkonstruktionen, der durch den Eingangs erwähnten Zwang zum Leichtbau noch mehr gelebt werden muss, wird somit nicht nur die Komplexität der Materialmodelle zur Beschreibung des Materialversagens zunehmen, sondern in noch größerem Maße der Aufwand steigen, valide, prognosefähige Versagensmodelle zu entwickeln und vorzuhalten, um in virtuellen Experimenten das Strukturverhalten in den Crashlastfällen vorherzusagen.

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