Crashverhalten von Motorträgern mit Schaumkern

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg

1. Einleitung

Bei der Verbesserung des Crashverhaltens von Automobilkomponenten spielt die Energieabsorbtion eine wichtige Rolle. Hier bieten Aluminiumschäume ein grosses Potential. Für die Simulation des Verformungs- und Versagensverhaltens von Aluminumschäumen müssen in Finite-Element Programmen geeignete Werkstoffmodelle zur Verfügung stehen, deren Entwicklung eine umfangreiche Charakterisierung des Werkstoffverhaltens unter unterschiedlichsten Belastungen voraussetzt.

2. Projektziel

Charakterisierung von Aluminiumschäumen und Implementierung eines geeigneten Materialmodells zur Simulation von Metallschäumen unter crashartiger Belastung.

3. Charakterisierung

Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von verschiedenen Aluminiumschäumen wurden einachsige und mehrachsige Druckversuche durchgeführt.

Abbildung 1: Schematische Skizze der mehrachsigen Versuche und axiale Spannung als Funktion der axialen Dehnung aus einachsigen Druck- und Mehrachsversuchen für den Aluminiumschaum AlMgSi0,5.

Um die mechanischen Eigenschaften (Härte, E-Modul, Spannungs-Dehnungsverhalten) des Aluminiumwerkstoffs der Zellwände zu bestimmen, wurden registrierende Mikro-Eindruckversuche durchgeführt und numerisch modelliert.

Abbildung 2: Aluminiumschaum, vakuumeingebettet, geschliffen und poliert d.h. vorbereitet für Mikro-Eindruckversuche.

Abbildung 3: Rotationssymmetrisches Modell des Eindruckversuchs, Konturplot der plastischen Vergleichsdehnung in der Umgebung des Indenters (Eindringtiefe: 0,002 mm).

4. Simulation eines Stauchungsversuchs an einem Motorträger mit Schaumkern

Ein Werkstoffmodell auf der Basis des Deshpande/Fleck-Modells wurde für Aluminiumschäume entwickelt, durch obige Experimente verifiziert und in das Finite-Element Programm ABAQUS/Explicit implementiert. Um die Eignung dieses Werkstoffmodells zu überprüfen, wurde ein dynamischer Stauchungsversuch eines Motorträgers mit Schaumkern nachgerechnet. Dieser Versuch wurde bei der BMW AG zur Prüfung der Energieabsorptionsfähigkeit von Aluminiumschäumen durchgeführt.

Abbildung 4: aufgeschnittenes Finite-Element Modell des ausgeschäumten Motorträgers für dynamischen Stauchungsversuch (rot: Al-Schaum, blau: Stahlblech, grün: aufschlagender Starrkörper)

Folgende Randbedingungen wurden im Finite-Element Modell realisiert (Abb. 4):
-Stahlbleche des Motorträgers bestehend aus Schalenelementen, elastisch-plastisches Materialmodell
- Schaumkern aus AlMgSi0,6 T1/T6, modelliert mit 3D Elementen, Verwendung des Deshpande/Fleck Materialmodells, Werkstoffkennwerte aus Versuchen
- Beaufschlagung mit Fallgewicht (Starrkörper) der Masse 885 kg und Geschwindigkeit 30 km/h unter Berücksichtigung von Masseneffekten
- Kontaktdefinition zwischen Blech und Schaum

Abbildung 5: Verformtes Finite-Element Netz mit Konturplot der plastischen Volumendehnung (oben: berechnet mit dem Deshpande/Fleck-Modell) und Motorträgerabschnitt nach einem dynamischen Stauchungsversuch bei BMW (unten)

5. Zusammenfassung

Das phänomenologische Materialmodell von Deshpande/Fleck bildet eine gute Basis zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von Aluminiumschaumstrukturen. Sowohl die Faltenbildung als auch die Dichteverteilung wurde von der numerischen Simulation gut vorhergesagt.

Abbildung 6: zeitliche Entwicklung der plastischen Volumendehnung während des Stauchungsvorgangs