Schlagdynamisches Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen für Automobilanwendungen

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1 Schlagdynamisches Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen für Automobilanwendungen Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Lothar W. Meyer R. Grunewald, T. Weihrauch, Dr. N. Herzig Nordmetall GmbH Fachtagung 28. und 29. August Großserientaugliche thermoplastische Strukturen -

2 Nordmetall Büro in Meppen Nordmetall Büro in Stenum Adorf/Erzg. bei Chemnitz Nordmetall GmbH 2

3 Impact- und Crash-Testing Forschung und Beratung Werkstoff- und Bauteilprüfung Werkstoffentwicklung Modellierung und Simulation Portfolio der Nordmetall GmbH 3

4 Belastungsart / Dehnrate [s -1 ] Temperatur [ C] Zug einachsig Spannung / Dehnung Druck Torsion Biegung -190 RT Scherung RT FLC-Bestimmung Plain-Strain -Belastung RT Druck-Scher-Belastung zweiachsig Spannung / Dehnung Gaskanone Druck-Scherbelastung Biaxialer Zug-Zug (exp. Blast-Simulation) Zug-Torsions- u. Druck-Torsions-Hopkinson RT RT RT Instrumentierte Kerbschlagbiegung Biaxiale Zug-Biege-Belastung RT Bruchzähigkeit K [Nmm -2/3 s -1 ] Gaskanone (exp. Penetrationssimulation) RT dreiachsig Plattenimpakt (IPCP Moskau) Dreiachsige Zug-Belastung Prüfmöglichkeiten bei Nordmetall GmbH (Auswahl) 4

5 Schlagdynamisches Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen für Automobilanwendungen 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 5

6 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 6

7 Dynamische Werkstoff- und Bauteilprüfung Motivation 7 Quelle: Chronik der ZfP

8 chemie-am-auto.de 1001.crash.com Erhöhte Anforderungen an Leichtbau erfordern ein Umdenken in Konstruktion und Design, v.a. in der Luftfahrt- und Automobilbranche. Daraus resultiert wachsende Bedeutung von Kunststoffen und Faserkunststoffverbunden (FKV). Neue Materialien substituieren bisherige metallische Werkstoffe. Kunststoffe und FKV in Automobiltechnik und Luftfahrt 8

9 Erhöhter Kostendruck und kürzere Entwicklungszeiten haben das Werkzeug der numerischen Simulation fest im Entwicklungsprozess etabliert aber: Exakte Modellierung erfordert Kenntnis des Werkstoffverhaltens Materialverhalten als Funktion der Dehnrate, Temperatur, Belastungsart und richtung kaum/wenig verfügbar Es fehlen größtenteils validierte Werkstoffmodelle und Materialkarten Unsere Motivation Vollständige Werkstoffcharakterisierung, vom Experiment über FE- Kartenerstellung- alles aus einer Hand, auch für anisotrope Karten onrl.gov passco.de crash_welt.de soldiersystems.net i192.com Motivation 9

10 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung outline 10

11 Standardisierte Zug- und Druckprüfung von UD-Werkstoffen: Große Probenabmessungen Große bewegte Massen in den Prüfvorrichtungen Neu-/Weiterentwicklungen für die Anwendung in der dynamischen Prüfung notwendig Vergleichbarkeit zu standardisierten Tests muss gewährleistet werden Zug Hydraulisches Spannsystem Proben Druck ITRII Spannsystem SLK, TU Chemnitz Einleitung / Motivation

12 E-Modul [GPa] Zugfestigkeit Rm [MPa] Optimierung der Prüftechnik für dynamische Kennwertermittlung Probengeometrie Einspannsysteme Messsysteme (Kraft, Verformung) Sicherstellung der quasistatischen Vergleichbarkeit zwischen standardisierten und optimierten Prüfmethoden Beispiel: Vergleichbarkeit unter Zugbelastung: RT 10-3 s -1 UD-Werkstoff: CFK 0 und Standard Optimierung Standard Optimierung Optimierung Prüftechnik

13 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 13

14 mechanische oder servo-hydraulische Universalprüfmaschinen max. Kräfte bis 250 kn verfügbar Verformungsgeschwindigkeiten von 10-4 bis 10 1 s -1 realisierbar Zug-, Druck-, Biegebelastung P R O B L E M mech. UPM 100 kn hydr. UPM 250 kn Quasistatische und quasidynamische Versuchstechnik L Ö S U N G berührungslose elektrooptische Messverfahren Hochgeschw.-Fotografie bereits für quasi-dynamische Versuche erforderlich 14

15 Fallwerksaufbauten angepasste Fallwerksaufbauten für spezielle Prüfaufgaben Fallgewichte zwischen 5 kg und kg Bereitgestellte Verformungsenergien von < 5 J bis J Impact-Geschwindigkeiten 1-5 m/s Dehnraten 10 2 bis > s -1 an Werkstoffverhalten angepasste Kraftmessglieder breites Temperaturspektrum prüfbar Tieftemperatur bis -190 C Hochtemperatur bis >100 C (für Kunststoffe und FVK) Dynamische Druck- und Biegebelastung - Fallwerk 15

16 Split-Hopkinson-Pressure-Bar (SHPB) angepasste Hopkinsonaufbauten für spezielle Prüfaufgaben Dehnraten zwischen 10 3 und >10 4 s -1 Auswertung auf Basis der Theorie der Ausbreitung eindimensionaler elastischer Wellen breiteres Temperaturspektrum prüfbar Tieftemperatur bis -190 C Hochtemperatur bis >250 C (für Kunststoffe und FVK) A A 0 0 t E t t R 0 T 2c L t 0 t dt Hochdynamische Druckbelastung - SHPB 16

17 Zug-Rotationsschlagwerk Prüfgeschwindigkeiten 1 - ~40 m/s Dehnraten zwischen 10 2 und ~10 4 s -1 breites Temperaturspektrum prüfbar neue Einspannsysteme für höchst anisotrope Werkstoffe (z.b. unidirektionale FKV) Bestimmung von Zugfestigkeiten von FKV >2500 MPa (z.b. CFK) Messung von kleinsten Festigkeiten von Kunststoffen bei Hochtemperaturbelastung bis 10 m/s von ~1 MPa dyn. ZV VU D15 Bruch Hochdynamische Zugversuche - Rotationsschlagwerk 17

18 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 18

19 Thermoplast bei verschiedenen Geschwindigkeiten Thermoplast dynamisch hoch belastbar hohe Stoßelastizität hoher Verschleißwiderstand hervorragende Dämpfung Einsatzbereiche u.a. o massive schnelllaufende Räder und Rollen o Radbeläge auf Metall o Zahnräder o Zahnriemen Mechanisches Stauch-Verhalten eines thermoplastischen Kunststoffs in Abhängigkeit der Dehnrate 19

20 Thermoplast bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Temperaturen Proben nach der Versuchsdurchführung RT - 20 C 3000 s s / 10-1 s -1 Mechanisches Stauch-Verhalten eines Kunststoffes in Abhängigkeit der Dehnrate und Temperatur 20

21 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 21

22 technische Spannung s [MPa] ThermoPre - UD 0 ThermoPre - UD Druckversuch 10-3 s -1 RT Zeit t [s] ThermoPre - Ergebnisse (Beispiel Druck)

23 technische Spannung smax, 0 [MPa] ThermoPre - Einfluss der Dehnrate unter Druckbelastung technische Spannung smax, 90 [MPa] Druck UD 0 Druck UD ,0001 0,001 0,01 0, Dehnrate [s -1 ]

24 technische Spannung s [MPa] technische Spannung s [MPa] qd ZV 0 pr1 qd ZV 0 pr2 qd ZV 0 pr3 dyn ZV 0 pr1 dyn ZV 0 pr2 dyn ZV 0 pr s -1, RT s -1, RT UD UD technische Dehnung e [%] technische Dehnung e [%] ThermoPre - UD 0 - Zugbelastung

25 technsiche Spannung s [MPa] technische Spannung s [MPa] qd ZV 90 pr1 qd ZV 90 pr2 dyn ZV 90 pr1 dyn ZV 90 pr2 dyn ZV 90 pr s -1, RT s -1, RT UD 90 UD ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 technische Dehnung e [%] 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 technische Dehnung e [%] ThermoPre - UD 90 - Zugbelastung

26 technische Spannung Rm, 0 [MPa] ThermoPre - Einfluss der Dehnrate unter Zugbelastung [MPa] Zug UD 0 Zug UD 90 Zug ±45 Zug ILS (SLK) ,0001 0,001 0,01 0, Dehnrate [s -1 ] technische Spannung Rm, 90, ±45, ILS

27 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 27

28 Überführung der Materialdaten in Materialmodelle bzw. Materialkarten Numerische Testrechnungen anhand von Ein-Element-Analysen Numerische Validierung durch Nachrechnung der eigenen (dynamischen) Materialuntersuchungen Materialmodell- und Materialkartenerstellung

29 Spannung 0 [MPa] Spannung ILS, 90 [MPa] Spannung 0 [MPa] Zug UD 0 Zug UD ILS (45 ) Zug UD Nachbruchverhalten Zug UD 0, SLIMT 10 Zug UD 0, SLIMT Zug UD 0, SLIMT Rechenschritt Rechenschritt Validierung des Materialmodells

30 Kraft F [N] UD-Aufbau Aufbau SLK TUC/Nordmetall Beweis der Lauffähigkeit der Materialkarte auch für unbekannte Lastfälle Validierung der Versagensparameter Zeit t [ms] Kugeldurchstoßsimulation

31 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 31

32 Berechnung der FKV-Vergleichsdehnung mit Hochgeschw.-ARAMIS 32

33 1. Einleitung und Motivation 2. Schaffung einer Vergleichsbasis 3. Prüftechnik 4. Mechanisches Werkstoffverhalten unter dynamischer Belastung a) Kunststoff b) Faserverbund-Kunststoff 5. Modellierung und Simulation 6. Experimentelle Validierung 7. Zusammenfassung Inhalt 33

34 Bisherige Charakterisierungsmöglichkeiten: dynamische Werkstoffcharakterisierung in einem weiten Bereich von Belastungsarten (Zug, Druck, Biegung, mehrachsig etc.) Belastungsrichtungen ( ) Geschwindigkeiten ( s -1 ) Temperaturen (-190 C >100 C für Kunststoffe und FKV) dynamische Bauteilprüfung u.a. zur Verifizierung numerischer Simulationen Erarbeitete experimentelle Voraussetzungen : angepasste Einspannsysteme dynamische Kraftmesstechnik für geringste bis große Kräfte hochauflösende, dynamisch messende elektro-optische Messtechnik zur lokalen Verformungsmessung Zusammenfassung

35 Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Lothar W. Meyer Geschäftsführer Tel.: Dr.-Ing. Norman Herzig Geschäftsführer Tel: Nordmetall GmbH Hauptstraße 16 D Adorf / Erzgebirge Germany Tel.: Fax: www: info@nordmetall.net Kontakt zur Nordmetall GmbH 35