VERSAGENSMODELLIERUNG VON DICKWANDIGEN ALUMINIUMPROFILEN FÜR DIE CRASHSIMULATION VON SCHIENENFAHRZEUGKOMPONENTEN

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1 VERSAGENSMODELLIERUNG VON DICKWANDIGEN ALUMINIUMPROFILEN FÜR DIE CRASHSIMULATION VON SCHIENENFAHRZEUGKOMPONENTEN Andrea Ockewitz Armin Schley Dong-Zhi Sun Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM Freiburg

2 Inhalt Motivation Materialcharakterisierung Orts- und Orientierungsabhängigkeit Materialmodelle für anisotrope Plastizität MAT Anisotropic_Plasticity (MAT_33) MAT_3-Parameter_ (MAT_36) Versagensmodellierung (MAT_ADD_EROSION, GISSMO) Simulation der Probenversuche und Vergleich mit von Mises-Modell Komponentenversuche und Simulation mit verschiedenen Variationen Zusammenfassung

3 Motivation Gesetzliche Anforderungen an Crashsicherheitsnachweise von Schienenfahrzeugen sind stark angestiegen z.b. TSI-Kriterien. Eine zentrale Rolle spielt hier die Untersuchung von dickwandigen Fahrzeuglangträgern, die in Crashsituationen den wesentlichen Teil der Energie bei einer begrenzten Verformung aufnehmen müssen. Es besteht ein großer Forschungsbedarf in der Methodenentwicklung einer zuverlässigen Crashbewertung von dickwandigen Al-Komponenten - noch in der Konzeptionsphase (vor der Fertigung). Besonderheiten sind die durch Legierung und Fertigungsprozesse bestimmte inhomogene Mikrostruktur und die Wanddicken-Abhängigkeit der Eigenschaften einschließlich Schädigung. Nachbildung des Dickengradienten durch Schalenelemente ist unklar. 3

4 Mehrstufen-Nachweiskonzept der Crashtoleranz WERKSTOFF SUB- STRUKTUR BAUTEIL 20mm 20cm 20m Zug-, Druck-, Scherversuch, statisch, dynamisch Crash: Langträger Bodenstruktur A-Säule 1:1 Versuche TSI-Kriterien Werkstoffgesetz Modellierung Crashverhalten voraussagbar Simulation Probenversuche Simulation Substruktur Simulation Bauteilversuch 4

5 Charakterisierung der Ortsabhängigkeit Aluminiumprofil aus 6005A-T6 9,0mm 6,5mm 8,3mm 18,1mm 6,6mm 5,1mm 4,5mm 6,2mm 4,0mm 9,8mm 7,8mm 9,8mm 6,5mm 6,4mm 5

6 Technische Spannungs-Dehnungskurven Aluminiumprofil aus 6005A-T6, Vergleich Pos. 1 Pos s [MPa] L 0 =10 mm Position 1, 6,6mm Position 2, 4mm Position 3 Mitte, 9,8mm Position 3 Rand, 9,8mm Position 4 Mitte, 18,1mm Position 4 Rand, 18,1mm e 6

7 Technische Spannungs-Dehnungskurven Aluminiumprofil aus 6005A-T6, Orientierungseinfluss Pos. 1 längs quer diagonal L 0 =10 mm 7

8 Anisotrope Plastizität ( / Yld 91) MAT_33: MAT Anisotropic_Plasticity (für Volumenelemente) das anisotrope Fließkriterium Φ für den ebenen Spannungszustand ist wie folgt definiert: Fließfunktion Φ = S m m m 1 S2 + S2 S3 + S3 S1 = 2σ m wobei σ die effective Spannung ist und S i=1,2,3 die Hauptwerte der symmetrischen Matrix S αβ, Quelle: ls-dyna971 Handbuch S S S S S S xx yy zz yz zx xy = = = = = = [ c( σ xx σ yy ) b( σ zz σ xx )] [ a ( σ yy σ zz ) c( σ xx σ yy )] [ b( σ σ ) a( σ σ )] fσ gσ hσ yz zx xy zz xx yy zz / 3 / 3 / 3 Die Materialkonstanten a, b, c, f, g und h definieren das anisotrope Verhalten. Bei a=b=c=f=g=h=1 und m=2 erhält man die Fließfläche nach Mises. 8

9 Anisotrope Plastizität ( / Yld 91) MAT_33: MAT Anisotropic_Plasticity Position 1 Position 3M Mises 1 Mises σ /σ xx a= 1,05 (f= 1,032) m= 8 b= 1,124 (g= 1,032) c= 0,863 h= 1,085-1 σ /σ Xxx a= 1,2 (f= 1,032) m= 8 b= 1,0 (g= 1,032) c= 1,0 h= 1,1 9

10 Versagensmodellierung MAT_ADD_EROSION (GISSMO) Das Versagensmodell GISSMO ist ein phänomenologisches Modell, bei dem die Bruchdehnung ε f in Anhängigkeit von der Mehrachsigkeit σ m /σ e definiert wird. Fünf verschiedene Probentypen wurden geprüft, um den Einfluss der Mehrachsigkeit auf die Bruchdehnung zu bestimmen: 45 θ=0 θ=45 Scherzug Glattzug Kerbzug Biaxial Zunehmende Mehrachsigkeit 10

11 Versagenskurve MAT_ADD_EROSION (GISSMO) Bruchdehnung und Mehrachsigkeit wurden bei Versagensverschiebung der Proben ausgewertet Die Versagenskurve wird im GISSMO-Modell in Form von Wertepaaren eingegeben ε f Sz T trans σ m /σ e Fz quer Fz längs Sz 45 (Kerb) Fz diagonal FzR4 längs 11

12 Simulation der Glattzugproben mit Volumenelementen Orientierungseinfluss für P1 und P3M L 0 =10 mm Position 1 Position 3M Mises Mises Versuch Versuch längs quer diagonal Technische Spannungs-Dehnungskurven 12

13 Simulation der Kerbzugproben mit Volumenelementen Für P1 und P3M R=4 Position 1 Versuch Position 3M Versuch Mises Mises Kraft-Verlängerungskurven 13

14 Simulation der Scherzugproben 0 mit Volumenelementen, P s [Mpa] [MPa] Mises Versuch DL [mm] Kraft-Verlängerungskurven 14

15 Simulation der Scherzugproben 45 mit Volumenelementen, P s [Mpa] [MPa] Mises Versuch DL [mm] Kraft-Verlängerungskurven 15

16 Simulation der Biaxialzugproben mit Volumenelementen Orientierungseinfluss für P1 und P3M Versuch Position 1 Versuch Position 3M Mises Mises 16 quer längs quer längs

17 Druckversuch an Komponentenabschnitt (Länge: 494 mm) FE-Modell Versuchsaufbau FE-Modell ist in 2 Materialzonen aufgeteilt: Rot angepasst an Ergebnisse aus P1 Blau angepasst an Ergebnisse aus P3M 4 Prüfquerschnitt 17

18 Komponentenversuch Simulation mit 2 Materialzonen,, Solid, genauer Geometrie Versuch Simulation 6005A-T T6 Gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Simulation Geringfügige Abweichungen im Verlauf der Kraft-Verschiebungskurven nach Kraftmaximum sind durch unterschiedliche Faltung bedingt 18

19 Anisotrope Plastizität () MAT_36: MAT_3-Parameter_ (für Schalenelemente) das anisotrope Fließkriterium Φ für den ebenen Spannungszustand ist wie folgt definiert, wobei σ y die Referenzfließspannung in Walzrichtung ist: Fließfunktion Φ = a K m m m 1 + K 2 + a K 1 K 2 + c 2K 2 = 2σ m Y Anisotrope Materialkonstanten a, c, h : K a 1 = σ x + 2 hσ y r 1+ r 90 K 2 σ = = 2 2 c a 00 r 1+ r = 2 x hσ 2 h = y 2 + p 00 2 τ 2 xy r00 1+ r 1+ r r Der Parameter p muss iterativ bestimmt werden. Quelle: ls-dyna971 Handbuch Die Beziehungen von a, h und p zu den r-werten basieren auf der Annahme des assoziierten Fließens. In dieser Arbeit wurden a, h und p durch Anpassung an die Spannungs-Dehnungskurven ermittelt. 19

20 Simulation der Glattzugproben mit Schalenelementen Orientierungseinfluss für P1 L 0 =10 mm Le=0,5mm Parameter : m=8 R 0 =0,4 R 45 =0,45 R 90 =0,8 Versuch längs quer diagonal Es war nicht möglich eine Fließkurve anzupassen, mit der die Einschnürung der kleinen Flachzugprobe richtig wiedergegeben wird. 20

21 Simulation der großen Glattzugproben mit Schalen- und Volumenelementen, P1 Versuche (Bruch außerhalb L 0 ) L 0 =80 mm -Solid Le=1mm -Shell Le=5mm längs quer diagonal 21

22 Simulation von großen Glattzugproben mit Schalen- und Volumenelementen, P3M L 0 =80 mm -Solid Le=1mm -Shell Le=5mm längs quer diagonal 22

23 Komponentensimulation mit Schalenelementen Einfluss des Materialmodells und der Elementkantenlänge Mises Le= 20mm Versuch Le= 10mm Le= 20mm Mises Le= 10mm 23

24 Zusammenfassung Modellierung von dickwandigen Profilen mit Volumenelementen: Mit MAT_33 () kann die Anisotropie der Festigkeit sehr gut nachgebildet werden, aber nicht die Anisotropie der Bruchdehnung. Die Strukturen im Profil konnten 2 Materialzonen zugeteilt werden; Strukturen am Rand des Profils und Strukturen im Inneren des Profils. Die Simulation des Komponentenversuchs mit MAT_33 () lieferte eine bessere Übereinstimmung mit dem Versuch als die Simulation mit MAT_24 (Mises). Modellierung von dickwandigen Profilen mit Schalenelementen: Eine sinnvolle Anpassung der Fließkurve für MAT_36 () war erst ab einer bestimmten Proben-/Schalengröße möglich. Auch die Simulation des Komponentenversuchs lieferte erst bei einer Schalengröße von Le=20mm nachvollziehbare Ergebnisse. Nach Schalentheorie sollte das Verhältnis der In-Plane-Dimensionen zur Schalendicke nicht zu klein sein. Die Schädigungsentwicklung wird nach dem Ausfall des ersten großen - Elements überschätzt. 24

25 Danksagung Das IGF-Vorhaben N der Forschungsvereinigung Stifterverband Metalle e.v. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung sei gedankt. 25