Crashsimulation langfaserverstärkter Thermoplaste mit Berücksichtigung von Schädigung und Versagen

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1 Crashsimulation langfaserverstärkter Thermoplaste mit Berücksichtigung von Schädigung und Versagen Lukas Schulenberg*, Jörg Lienhard Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Seelig Institut für Mechanik (IfM), KIT Karlsruhe Kooperationspartner

2 Inhalt Einführung & Motivation Materialmodell (UMAT) mit Berücksichtigung der Faserorientierungsverteilung Simulation positionsabhängiger Zugversuche Simulation von Probenversuchen in Abhängigkeit der Mehrachsigkeit und Dehnrate Validierung des Modells am Bauteilversuch Zusammenfassung 2

3 Einführung & Motivation Spritzgegossener langfaserverstärkter Thermoplast (LFT) Matrix: Polypropylen (E = MPa, ν=0.39) Fasern: E-glas, 30 Gew.-% (E = MPa, ν=0.23) Gewichtsgemittelte Faserlängen ca. 2 bis 3 mm Materialverhalten ist abhängig von... lokaler Faserorientierungsverteilung lokalem Fasergehalt Dehnrate Temperatur Bsp.: Faserorientierung ohne Randeffekte 3 mm Bsp.: Faserorientierung mit Randeffekten Fließrichtung Ref.: Fa. Autoliv: Airbaggehäuse, Fa. SABIC: Werkstoffdaten 3

4 Materialmodell (UMAT): Elasto-plastisch Faserorientierungsverteilung Elastizität Faserorientierungstensor Plastizität Nach Advani & Tucker = (!, ) Hauptrichtungen Orientierungsgemittelter Steifigkeitstensor Mori-Tanaka Steifigkeitstensor (transv. isotrop) Berücksichtigung von Faserlänge, Faserorientierung & Faservolumengehalt Eigenwerte : = = =1 ; [0,1] Hill-Plastizität (3 Richtungen): + + = + + globales KOS 4

5 Materialmodell (UMAT): Visko-elasto-plastisch Parallelschaltung der Teilmodelle σ Höhere Dehnrate ε Berechnung der visko-elasto-plastischen Spannung: #$#% = + &,' + &, + &, Plastizität Visko-Elastizität Fließbedingung (Hill) Verfestigung (Power-Law) 3 Maxwell-Elemente σ ' =10*+,,=2.5, 0=0.5, *=4 h=0.47 4=0.27 τ ' = τ =807 8 τ =17 8 : ' =0.3 : =0.25 : =0.3 5

6 Simulation Zugversuche mit UMAT Positionen abhängig von Faserorientierungsverteilung Spritzgusssimulation der Probenplatte CT-Probe y 90 x Validierung simulierter Faserorientierungen Spannung [MPa] FEM-Simulation gemappter Zugproben Experimente Simulationen 0 Pos. 4/6 90 Pos. 3 0 Pos. 2 0 Pos. 1/3 0 Pos Pos Plattendicke Dehnung [-] Ref.: Fraunhofer ITWM: Spritzgusssimulation 6

7 Simulation Zugversuche mit UMAT Be- und Entlastungsversuch 0 3 Spannung [MPa] 90 Flow direction 3 Experimente Simulationen Dehnung [-] 7

8 Schädigungs- und Versagensmodell (UMAT) Abhängig von Spannungsmerachsigkeit B%> =C C = < = =,>%? A Historischer Maximalwert 2/3 1/3 0 1/3 2/3 D #E%? 6 unabhängige Schädigungsvariable Separate Schädigungsentwicklung entsprechend der einzelnen Spannungskomponenten Kleines bei großem D #E%? Porenwachstum/Interface-Versagen Großes bei Scherbelastung Kein Druckversagen (Instabilität) 8

9 Simulation der Probenversuche FE-Modelle (Solids) Versuche unterschiedlicher Lastpfade/Spannungszustände 4 Verschiedene Dehnraten/Belastungsgeschwindigkeiten Flachzug Kerbzug Scherzug Durchstoß Durchstoß (tailliert) Druck Solid-Elemente (Hexaeder, Elementkantenlänge: 0,5 mm) 9

10 Simulation der Probenversuche Zugversuche (dynamisch) 2 Materialmodelle wurden für LFT angepasst UMAT: Anisotrop mit Faserorientierungsverteilung *MAT_024 + GISSMO: Isotrop (Gegenüberstellung zur Validierung der UMAT) FEM - UMAT FEM - MAT_024 Experimente

11 Simulation der Probenversuche Durchstoßversuche tailliert (quasi-statisch) H I =I,IJ KK/L Kraft [KN] Bsp.: Bruchbild 0 Exp. Unterseite Stempelweg [mm] UMAT zeigt gute Approximation der Anisotropie Isotropes Modell (*MAT_024) liegt im Mittel der Versuche Bsp.: Bruchbild FEM 0 mit UMAT 11

12 Simulation eines Bauteilversuchs Prozesssimulation Mapping Crashsimulation Versuchsaufbau: Airbaggehäuse Crashsimulation 5,2 mio. Tetraeder 2.5mm 2,3 mio. Tetraeder 2.5mm E Formfüllsimulation Mapping A zz Schnitt z Ref.: Fa. Autoliv: Airbaggehäuse, Fraunhofer ITWM: Prozesssimulation 12

13 Simulation eines Bauteilversuchs Validierung der Faserorientierung aus Formfüllsimulation Position F: Unter dem Stempel Position über Dicke Position G: Rippe innen Prozesssimulation liefert gute Übereinstimmungen mit Faserorientierungen aus Computertomografie Ref.: Fraunhofer ITWM Position über Dicke 13

14 Simulation eines Bauteilversuchs Validierung der Materialmodelle UMAT (anisotrop) MAT_024+GISSMO Experimente Experimente 3 Tets ü. Dicke 2 Tets ü. Dicke 3 Tets ü. Dicke 2 Tets ü. Dicke 14

15 Simulation eines Bauteilversuchs Validierung der Materialmodelle UMAT MAT_024+GISSMO 2 Tetraeder 2 Tetraeder 3 Tetraeder 3 Tetraeder 15

16 Zusammenfassung Entwickeltes Materialmodell (UMAT) Anisotroper Steifigkeitstensor (analyt. Homogenisierung) Plastizität und Viskoelastizität in Abhängigkeit der Faserorientierung Schädigung abhängig von Mehrachsigkeit (isotrop) Anisotropes USER-Modell + Bessere Probensimulation wegen Anisotropie + Berücksichtigt viskoelastischer Effekte - Leicht spröderes Versagensverhalten Isotropes Modell (MAT024+GISSMO) + Einfache Handhabung, geringer Aufwand, rechnet schnell + Rein qualitativ gutes Versagensverhalten - Mittelung isotroper Größen (Lastfallabhängig 0 /90 ) - Dehnratenabhängigkeit im Zugversuch schlecht approximiert 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Förderhinweis Das IGF-Vorhaben IGF-Nr N der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e. V. (FAT), Behrenstraße 35, Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 17