Kalibrierung eines Materialmodells zur dynamischen Simulation von FVK-Strukturen

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1 5. HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen Kalibrierung eines Materialmodells zur dynamischen Simulation von FVK-Strukturen Böblingen, 26. November 21 Dipl.-Ing. (FH) Helmi Murnisya, Dipl.-Ing. Leif Ickert, Dipl.-Ing. Kristian Seidel Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University # ic175.pptx Folie Nr. 1

2 Agenda Motivation Simulation von FVK-Bauteilen Kalibrierung und Optimierung Zusammenfassung # ic175.pptx Folie Nr. 2

3 Motivation Forschungsprojekt der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.v. (FAT) zur Entwicklung von Belastungsgerechte Leichtbaustrukturen in Mischbauweise Längsträger vorn 2 Sitzquerträger 3 Tunnelbrücke 4 Tunnelverstärkung 5 Karosseriebauteil 6 Klebstoff 7 FVK-Bauteil Die Simulation zur Beschreibung des Strukturverhaltens Materialmodell der Verstärkungsstruktur (FVK) erforderlich Thermoplastisches FVK-Material : TEPEX Faser Matrix Faseraufbau Fasergehalt Dichte Kohlenstoff bzw. Glas PA 6.6 bzw. PA 6 Gewebe /9 45 % bzw. 47% 1,47 g/cm³ bzw. 1,8 g/cm³ Quelle:Bond Laminates # ic175.pptx Folie Nr. 3

4 Agenda Motivation Simulation von FVK-Bauteilen Kalibrierung und Optimierung Zusammenfassung # ic175.pptx Folie Nr. 4

5 Simulation von FVK-Bauteilen FE-Solver LS-Dyna Layered Shell Methode Modellierung der Laminatschichten mittels Integrationspunkten Eine Fläche Einfache Modellaufbereitung Kürze Simulationszeit Geeignet für Kalibrierung Realisierung als *PART_COMPOSITE 11 Materialmodelle zur Simulation von FVK in LS-Dyna 3 relevante Materialmodelle (MAT_54, MAT_58 und MAT_59) für Belastung und Halbzeug (Gewebe und Unidirektional) Verwendetes Materialmodell: MAT_58 Elasto-plastisches Materialverhalten beim Crash durch Aufbau im Verbund Dehnratenunabhängigkeit [Quelle : Moncayo: Einleitung in die technische Berechnung von Faserverbundstrukturen] # ic175.pptx Folie Nr. 5

6 Simulation von FVK-Bauteilen FE-Solver LS-Dyna Materialmodell * MAT_58 (*MAT_LAMINATED_COMPOSITE_FABRIC) MID RO EA EB EC PRBA TAU1 GAMMA1 GAB GBC GCA SLIMT1 SLIMC1 SLIMT2 SLIMC2 SLIMS AOPT TSIZE ERODS SOFT FS XP YP ZP A1 A2 A3 V1 V2 V3 D1 D2 D3 BETA E11C E11T E22C E22T GMS XC XT YC YT SC Physikalische Parameter Dichte E-Modul Zugfestigkeit Schubfestigkeit Materialmodellspezifische Parameter Definition von Faserorientierung Versagensparameter Resttragfähigkeit Elasto-plastische Parameter # ic175.pptx Folie Nr. 6

7 Agenda Motivation Simulation von FVK-Bauteilen Kalibrierung und Optimierung Zusammenfassung # ic175.pptx Folie Nr. 7

8 Kalibrierung und Optimierung Kennwertermittlung Ermittlung der physikalischen Parameter und erster materialmodellspezifischer Parameter durch Werkstoffprüfungen Kalibrierung der weiteren spezifischen Parameter über einen Komponententest Zug DIN EN ISO Druck DIN EN ISO Schub DIN EN ISO Parameter Zugversuch Druckversuch Zugscherversuch TAU GAMMA SLIMT SLIMC SLIMS ExxC ExxT GMS ERODS # ic175.pptx Folie Nr. 8 - nicht untersucht + geringer Einfluss ++ bedeutender Einfluss +++ starker Einfluss

9 Kalibrierung und Optimierung Auslegung des Komponententests Frontalaufprall (Euro NCAP) Seitenaufprall (Euro NCAP) Seitlicher Pfahlaufprall (Euro NCAP) Heckaufprall (FMVSS 31) # ic175.pptx Folie Nr. 9

10 Kalibrierung und Optimierung Auslegung des Komponententests Frontaufprall Pfahlaufprall Seitenaufprall Heckaufprall Seitlicher Pfahlaufprall als kritischer Lastfall für die Bodenstrukturen Dynamische 3-Punkt-Biegung auf einem Fallturm-Prüfstand Geschlossenes Stahl-Hutprofils (1, mm DC1) Verstärkung aus CFK und GFK (2, mm) Abbildung des Klebstoffs Volumenelemente Materialmodell *MAT_12 (MAT_GURSON) Kontakt durch *CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE_BEAM_ OFFSET # ic175.pptx Folie Nr. 1

11 Kalibrierung und Optimierung Vorkalibrierung des Komponententests Voruntersuchung des Komponententests Eindeutige Identifizierung des Einflusses der Materialparameter von MAT_58 Kraft [kn] Referenz Parametervariation Weg [mm] Vorkalibrierung des Stahlprofils durch Anpassung von: Bauteildicke Reibungskoeffizient Skalierungsfaktor des Materialmodells für Stahl (MAT_24) Energie [J] 4 Kraft [kn] Zeit [ms] Weg [mm] # ic175.pptx Folie Nr. 11

12 Kalibrierung und Optimierung Sensitivitätsanalyse Einfluss der einzelnen Parameter identifizieren Nutzung der Erkenntnisse zur konvergierten Optimierung Untersuchung der Parameter SLIMT, SLIMC, ExxC und ERODS Optimale Werte der weiteren Parametern durch Anpassung an die Standardversuche (Zug, Druck und Zugscher) bereits erreicht ExxC SLIMC SLIMT ERODS Kraft [kn] 2 Kraft [kn] 2 Kraft [kn] 2 Kraft [kn] Weg [mm] Weg [mm] Weg [mm] Weg [mm] Parameter Biegeversuch ( /9 ) Biegeversuch (±45 ) TAU1 - - GAMMA1 - - SLIMT + + SLIMC SLIMS - - ExxC ++ + ExxT - - GMS - - ERODS nicht untersucht + geringer Einfluss ++ bedeutender Einfluss +++ starker Einfluss # ic175.pptx Folie Nr. 12

13 Kalibrierung und Optimierung Grundlage der Optimierung Adaptive Responce Surface Methode in Altair HyperStudy : Globale Optimierungsmetthode durch lineare und quadratische Antwortfläche Schnelle Konvergenz Geeignet für nicht-lineare Probleme Funktionsantwort (Response) erforderlich f(x) 4a 4b 3a 3b max 3 x Beispiel Ziel: max. f(x) [Quelle: Bergmann,L: HyperStudy Supporttag; ika RWTH Aachen] 4 4 Funktionsantwort (Response): Methode der Differenzfläche zwischen Realversuch und Simulation Summe aus Kraft-Weg-Zeit Diagramm Kraft [kn] Weg [mm] Zeit [ms] Zeit [ms] Versuchsmittelwert Simulation Differenzfläche # ic175.pptx Folie Nr. 13

14 Kalibrierung und Optimierung Eingabeparameter der Optimierung Optimierungsziel : Minimierung der Funktionsantwort (Response) Max. Deformationsweg von 35 mm aus dem Realversuch als Randbedingung, um schnelle Konvergenz zu erreichen Übernahme von Designvariablen und deren Grenzen aus Sensitivitätsanalyse Designvariable Untere Grenze Obere Grenze ExxC,11,135 SLIMT,2,8 SLIMC,4 1, SLIMS,75,115 Optimierungsziel Randbedingung Differenzfläche [mm²],2,15,1,5 Weg [mm] Ab dem 22. Iterationsschritt konnte die Differenzfläche unter Einhaltung der Randbedingung um mehr als 75% reduziert werden Optimale Werte in Iterationsschritt Interationsschritt Interationsschritt # ic175.pptx Folie Nr. 14

15 Kalibrierung und Optimierung Ergebnis /9 -Faserorientierung ±45 -Faserorientierung # ic175.pptx Folie Nr. 15

16 Kalibrierung und Optimierung Variation der Elementtyp und -größe 4 /9 -Faserorientierung 4 ±45 -Faserorientierung 3 3 Kraft [kn] 2 Kraft [kn] Weg [mm] Weg [mm] (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) (a) Versuchsergebnis (b) Simulation mit 5, mm-kantenlänge und Typ 2 (BLT-Element) (c) Simulation mit 2,5 mm-kantenlänge und Typ 2 (BLT-Element) (d) Simulation mit 2,5 mm-kantenlänge und Typ 16 (Vollintegriertes Element) # ic175.pptx Folie Nr. 16

17 Agenda Motivation Simulation von FVK-Bauteilen Kalibrierung und Optimierung Zusammenfassung # ic175.pptx Folie Nr. 17

18 Zusammenfassung HyperStudy als zuverlässiges Optimierungswerkzeug zur Anpassung des Simulationsergebnisses an den Realversuch Simulationsdaten des Klebstoffes wurde vom Klebstoffhersteller (DOW Automotive) kalibriert und bereitgestellt Aufwändige, aber notwendige Prozessschritte zur Kalibrierung eines Materialmodells Elementgroße und Elementtyp haben Einfluss auf die qualitativen Ergebnissen Einsatz des Materialmodells für Gesamtfahrzeug-Simulationen # ic175.pptx Folie Nr. 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit # ic175.pptx Folie Nr. 19

20 Kontakt Dipl.-Ing. (FH) Helmi Murnisya Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Steinbachstraße Aachen Germany murnisya@ika.rwth-aachen.de Internet # ic175.pptx Folie Nr. 2

21 Anhang Bruchkriterien in *MAT_58 Smooth failure surface Smooth failure surface Faceted failure surface Spannungslimitierung in Längsrichtung Quadratischen Kriterium in Querrichtung Unidirektionale Laminatschicht FS = Quadratisches Kriterium für Quer- und Längsrichtung Gewebe und Schicht-Laminate FS = +1 Ungekoppeltes Kriterium in allen Richtungen Gewebe und Schicht-Laminate FS = -1 [Quelle: Schweizerhof, Weimar: Crashworthiness Analysis with Enhanced Composite Material Models in LS-Dyna] # ic175.pptx Folie Nr. 21