Entwicklung experimenteller Methode und Materialmodelle bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten mit Verifikationen für Fahrzeugcrashsimulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Xiangfan Fang
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238688643

Fahrzeugleichtbau erfordert Materialbeschreibungen mit hoher Genauigkeit bei großen Verformungen mit Dehnrate von bis zu 1000/s und Versagensgrenzwerte bei unterschiedlichen Spannungsmehrachsigkeiten für die Crashberechnungen. Stand der Technik ist jedoch, daß sowohl mit hydraulischen Prüfmaschinen als auch mit Hopkinsonbar keine zufriedenstellende Datenqualität im Dehnratenbereich zwischen 200/s und 1000/s erzeugt werden kann. Aufgrund dieser Einschränkung können die Materialverhalten wie z.B. das Fließverhalten, deren Dehnratenabhängigkeit, Einfluss des adiabatischen Vorgangs und Materialversagen nicht ausreichend genau für die Crashberechnung beschrieben werden.Im ersten Schritt werden die Systemschwingungen der Servohydraulischen Zugprüfmaschinen untersucht: starkes Signalrauschen in Spannungsdehnungskurven sind immer bei Dehnrate >200/s zu beobachten, was eine Materialbeschreibung unmöglich macht. Um das Problem zu lösen, wollen wir auf physikalischer Basis die Entstehung und Ausbreitungsvorgänge der Spannungswelle analysieren und verstehen. Mit dieser Erkenntnis sollen praktisch umsetzbare Lösungen mit Hilfe der numerische Simulationen entwickelt und optimiert werden, um Schwingungen zu minimieren. Versuchs-Validierungen sollen mit Hilfe von Modalanalysen durchgeführt werden. Derartige Analysen wurden bisher nicht durchgeführt und versprechen neue Lösungsansätze. Versagensgrenzwerte liefern die Basis für die Ermittlung des Bauteilversagens in der Crashberechnung von Fahrzeugen. Bisher wurde der Einfluss der Spannungsmehrachsigkeit und der Belastungswinkel für quasistatische Beanspruchungen untersucht. In diesem Projekt sollen die Versagensgrenzwerte bei hohen Dehnraten mit konstanter Mehrachsigkeit bestimmt werden und physikalisch analysiert werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Versagensberechnung verbessert. Eine bereits entwickelte bi-axiale Testvorrichtung soll dabei für die Versuche unter hohen Dehnrate erweitert werden.Ein weiterer Aspekt ist die adiabatische Erwärmung, da das Materialverhalten stark durch die bei hohen Dehnraten erzeugte Temperaturerhöhung beeinflusst wird. Große Unterschiede sind zu erwarten wenn eine bestimmte Grenze überschritten wird. Die Temperaturerhöhung wird versuchstechnisch mit Infrarotkamera bestimmt. Die obigen Ergebnisse werden im Projekt verwendet, um die existierenden Materialbeschreibungen zu modifizieren und zu verbessern.Anschließend werden Fallturmtests, sowohl in axiale als auch in Biegerichtung, durchgeführt, um die Genauigkeit der bisher gewonnen Materialdaten in Komponentenberechnungen zu validieren. Bei Bedarf werden Modifikationen an Materialmodellen durchgeführt. Dadurch sollen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der FEM Crashberechnungen verbessert werden, woraus Potentiale für den Leichtbau durch Einsatz neuer Werkstoffe, wie ultrahochfeste Stähle und hochfestes Aluminium bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen