Crashverhalten schaumgefüllter AZ31B Magnesiumprofile unter Drei-Punkt-Biegung
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- Reiner Holtzer
- vor 6 Jahren
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1 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Werkstoffwoche 215, Dresden Crashverhalten schaumgefüllter AZ31B Magnesiumprofile unter Drei-Punkt-Biegung Dr. Ping Zhou, Dipl.-Ing. Elmar Beeh, Prof. Dr. Horst E. Friedrich, Dipl.-Ing. Gundolf Kopp Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Institut für Fahrzeugkonzepte, Pfaffenwaldring 38-4, 7569 Stuttgart Vortragender: MSc Thomas Grünheid
2 Inhalt > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
3 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
4 Einleitung > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Magnesiumlegierungen Materialeigenschaften: Dichte Elastizitätsmodul Schubmodul Querdehnungszahl 1.78 g/cm 3 45 GPa 17 GPa.35 HDP Kristallstruktur Nur 2,5 Gleitebenen aktiv bei Raumtemperatur 5 aktive Gleitebenen notwendig, nach Taylorkriterium Twinning ist weiteres unabhängiges Deformationssystem bei Druckbelastung Beschränkte Dehnungsaufnahme führt zu Zug-Druck- Asymmetrie Twinning (Quelle: Dariush Ghaffari Tari)
5 Einleitung > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > AZ31B: Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung Chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent Mg Al Zn Mn Ca Cu Fe Ni Si Bal <.4 <.5 <.5 <.5 <.5 (Quelle: (Quelle: Dariush Ghaffari Tari) Große Anisotropie wird durch Roll- und Extrusionsprozess hervorgerufen Große Zug-Druck-Asymmetrie Geringe Duktilität bei Raumtemperatur
6 Einleitung > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Magnesiumanwendungen im Automobilbau Gußteile sind Hauptanwendungen Kein Einsatz von Absorbern für Crashszenarios (Quelle:
7 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
8 88 68 Motivation > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Schweller Generische Geometrie 13 (Quelle: Quelle: Master thesis from M. Wongwatanyou 11 Grundprofil Energieabsorbierende Teile während Pfahlcrash: Schweller, Türrahmen, B-Säule und umgebende Teile Schutz des Insassen und kritischen Komponenten wie Li-Ionen- Batterien verlangen geringe Intrusionen in Bodengruppe Kollabieren des Querschnitts bei Biegung, bewirkt geringe Energieabsorption (EA) Höhere gewichtspezifische Energieabsorption (SEA) bei Stabilisierung des Querschnitts Leichtbaupotential durch neue Freiheiten in Design und Materialwahl Außenfalten Innenfalte
![Spezifische Energieabsorption SEA [J/kg] Energieabsorption EA [kj] Motivation >](/docs-images/74/70443878/images/9-1.jpg "Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.")
9 Spezifische Energieabsorption SEA [J/kg] Energieabsorption EA [kj] Motivation > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Stabilisierung Energieabsorption infolge Materialdehnung 8 7 SEA EA 1.78? ??? Stahlprofil hohl Stahlprofil gefüllt Mg-Profil hohl Mg-Profil gefüllt
10 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
11 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Materialversuche und Charakterisierung Q-S uniaxiale Zug- und Druckversuche von AZ31B Normalmaßprobe AZ31B-O Blech Untermaßprobe AZ31B-F Extrusionsprofil
12 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Materialversuche und Charakterisierung Q-S uniaxiale Zug- und Druckversuche von AZ31B AZ31B Blech AZ31B Extrusionsprofil Ergebnisse und Diskussion Ausgeprägte Anisotropie der Streckgrenze ( 12 MPa) und Gesamtdehnung ( 4%) bei Extrusionsprofil gegenüber Blech geringere Anisotropie von Blech gegenüber Extrusionsprofil Zug-Druck-Asymmetrie Hohe Verfestigung unter Druckbelastung Höhere Zug- und Druckfestigkeit von Blech gegenüber Extrusionsprofil
13 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Materialversuche und Charakterisierung Hochgeschwindigkeitszugversuche 8 MPa ε 5 MPa Hohe Dehnratenabhängigkeit
14 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
15 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Versuchseinrichtungen DLR-FK Druckprüfanlage für quasistatische Versuche DLR-FK Crashanlage für dynamische Versuche
16 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Probenübersicht Probe Schale Wandstärke (mm) Schaumdichte (g/cm³) Masse (kg) Versuchsgeschw. (m/s) Hohle und schaumgefüllte Stahlprofile SES Stahl DC4 2, Hohl 12,35,6 S2S Stahl DC4 2,,2 16,92,6 S4S Stahl DC4 2,,4 21,15,6 S4D Stahl DC4 2,,4 21,15 6, Hohle und schaumgefüllte Mg-Extrusionsprofile XES Mg AZ31B-F 3, Hohl 4,32,6 XED Mg AZ31B-F 3, Hohl 4,32 2, X3S Mg AZ31B-F 3,,3 11,35,6 X3D Mg AZ31B-F 3,,3 11,35 4,5 Hohle und schaumgefüllte Mg-Blechprofile MED Mg AZ31B-O 1,8 Hohl 2,73 2, M5D Mg AZ31B-O 1,8,5 3,75 2, M2D Mg AZ31B-O 1,8,2 7,7 3,5 M3D Mg AZ31B-O 1,8,3 9,58 3,5 Hohlprofil Schaumgefülltes Profil
17 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Stahlprofile Hohl, 6 mm/s Schaumgefüllt,.2 g/cm 3, 6 mm/s Schaumgefüllt,.4 g/cm 3, 6 mm/s Schaumgefüllt,.4 g/cm 3, 6. m/s
18 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Mg AZ31B Extrusionsprofile Hohl, 6 mm/s Schaumgefüllt,.3 g/cm 3, 6 mm/s Hohl, 2. m/s Schaumgefüllt,.3 g/cm 3, 4.5 m/s
19 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Mg AZ31B Extrusionsprofile Deutliche Auswölbungen
20 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Mg AZ31B Blechprofile Hohl, 2. m/s Schaumgefüllt,.5 g/cm 3, 2. m/s Schaumgefüllt,.2 g/cm 3, 3.5 m/s Schaumgefüllt,.3 g/cm 3, 3.5 m/s
21 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Mg AZ31B Blechprofile Keine Auswölbungen
22 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
23 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
24 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
25 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
26 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast S4D hat höchste EA, M2D höchste SEA SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
27 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast S4D hat höchste EA, M2D höchste SEA S2S vs M2D: M2D ist 55% leichter und hat 2,4 mal höhere SEA als S2S, und absorbiert 11% weniger Energie SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
28 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast S4D hat höchste EA, M2D höchste SEA S2S vs M2D: M2D ist 55% leichter und hat 2,4 mal höhere SEA als S2S, und absorbiert 11% weniger Energie SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Absorptionspotenzial von Mg AZ31B ist begrenzt durch vorzeitigem Bruch Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
29 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 25 mm SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
30 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 25 mm M2D vs S2S: M2D hat 33% höhere EA und 2.9 mal höhere SEA als S2S, und ist 55% leichter SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
31 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 25 mm 12 8 M2D vs S2S: M2D hat 33% höhere EA und 2.9 mal höhere SEA 1 7 als S2S, und ist 55% leichter X3D vs S4D: X3D absorbiert 16% weniger Energie als S4D, erreicht 1.6 mal höher SEA und ist 46% leichter SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
32 Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 25 mm 12 8 M2D vs S2S: M2D hat 33% höhere EA und 2.9 mal höhere SEA 1 7 als S2S, und ist 55% leichter X3D vs S4D: X3D absorbiert 16% weniger Energie als S4D, erreicht 1.6 mal höher SEA und ist 46% leichter Dünnwandige schaumgefüllte Mg AZ31B Profile können, bei begrenzter Durchbiegung, Stahl DC4 erheblich übertreffen SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA
33 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
34 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Simulation Materialeigenschaften von Mg AZ31B Fließortkurven bei unterschiedlichen Dehnraten (Versuch und gefittete Kurven). Quelle: D. Ghaffari Tari, M.J. Worswick, U. Ali, M.A. Gharghouri, Mechanical response of AZ31B magnesium alloy: Experimental characterization and material modeling considering proportional loading at room temperature, International Journal of Plasticity, 55 (214)
35 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Simulation Materialmodelle in LS-DYNA Modell Funktion Plastische Anisotropie Verfestigung Zug-Druck- Asymmetrie Dehnratenabhängigkeit *MAT_24 von Mises Isotrop *MAT_124 von Mises Isotrop *MAT_13 *MAT_242 *MAT_233 Hill1948 Barlat-8P Cazacu-Plunkett- Barlat (CPB26) Isotrop + Kinematisch Isotrop + Kinematisch Isotrop *MAT_17 Johnson-Cook Isotrop *MAT_12 Gurson Isotrop *MAT_124 bildet Zug-Druck-Asymmetrie als bestimmende Eigenschaft von Magnesium ab *MAT_EROSION bildet Versagen in erster Näherung durch max. Hauptdehnung ab (detailliertere Abbildung des Versagens steht aktuell aus) *MAT_MODIFIED_CRUSHABLE_FOAM bildet PUR-Schäume ab
36 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Simulation FE-Simulation: hohle Profile Stahlprofil hohl Mg-Extrusionsprofil hohl Mg-Blechprofil hohl Gute Korrelation Gute Korrelation Generell gute Korrelation
37 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Simulation FE-Simulation: schaumgefüllte Profile Stahlprofil gefüllt Mg-Extrusionsprofil gefüllt Mg-Blechprofil gefüllt Gute Korrelation Gute Korrelation Gute Korrelation
38 Spez. Energieabsorption SEA [kj/kg] Energieabsorption EA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Drei-Punkt-Biegung: Simulation Energieaufnahmevermögen: Versuch vs Simulation 12 1 EA_TEST EA_SIM SES S2S S4S XES X3D MED SEA_TEST SEA_SIM Max. Fehler SES S2S S4S XES X3D MED Max. Fehler <14%
39 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung
40 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Zusammenfassung Mg AZ31B Extrusionsprofil und Blech zeigen ausgeprägte Anisotropie, Dehnratenabhängigkeit, Zug-Druck-Asymmetrie und geringe Duktilität bei Raumtemperatur Absorptionspotenzial von Mg AZ31B ist durch vorzeitigen Bruch begrenzt Mg AZ31B kann Stahl DC4 bzgl. SEA deutlich übertreffen, wenn Deformation begrenzt Materialmodell *MAT_124 kann mit kalibrierten Materialparametern gute Simulationsergebnisse liefern (bzgl. Deformation, Kraft-Durchbiegungs-Kurven und Energieabsorption) Generische schaumgefüllte Magnesiumprofile als Crashabsorber in Fahrzeug einsetzbar, wenn zulässige Deformation durch umliegende Strukturen begrenzt
41 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > Vielen Dank!
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