Crashverhalten schaumgefüllter AZ31B Magnesiumprofile unter Drei-Punkt-Biegung

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

Inhalt > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Einleitung Motivation Materialversuche und Charakterisierung Drei-Punkt-Biegung: Versuch Drei-Punkt-Biegung: Simulation Zusammenfassung

Einleitung > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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)

Einleitung > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 AZ31B: Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung Chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent Mg Al Zn Mn Ca Cu Fe Ni Si Bal. 2.5-3.5.6-1.4.2-1. <.4 <.5 <.5 <.5 <.5 (Quelle: www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/21/21217/21217.html) (Quelle: Dariush Ghaffari Tari) Große Anisotropie wird durch Roll- und Extrusionsprozess hervorgerufen Große Zug-Druck-Asymmetrie Geringe Duktilität bei Raumtemperatur

Einleitung > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Magnesiumanwendungen im Automobilbau Gußteile sind Hauptanwendungen Kein Einsatz von Absorbern für Crashszenarios (Quelle: http://blog.caranddriver.com)

88 68 Motivation > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Schweller Generische Geometrie 13 (Quelle: www.euroncap.com) 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 > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Stabilisierung Energieabsorption infolge Materialdehnung 8 7 SEA EA 1.78? 12 1 6 5 4 3 2 1 146 1.8 57??? 8 6 4 2 Stahlprofil hohl Stahlprofil gefüllt Mg-Profil hohl Mg-Profil gefüllt

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Materialversuche und Charakterisierung Q-S uniaxiale Zug- und Druckversuche von AZ31B Normalmaßprobe AZ31B-O Blech Untermaßprobe AZ31B-F Extrusionsprofil

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Materialversuche und Charakterisierung Hochgeschwindigkeitszugversuche 8 MPa ε 5 MPa Hohe Dehnratenabhängigkeit

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Versuch Versuchseinrichtungen DLR-FK Druckprüfanlage für quasistatische Versuche DLR-FK Crashanlage für dynamische Versuche

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Mg AZ31B Extrusionsprofile Deutliche Auswölbungen

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Versuch Formänderung: Mg AZ31B Blechprofile Keine Auswölbungen

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 3-Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm 12 11.54 8 1.78 1 8 57 543 6.68 589 6.88 66 612 7 6 5 6 4 2 146 1.8 5.31 314 315 1.36 1.52 351.88 321 329 1.23 4.71 3.19 333 4 3 2 1 SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 3-Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm 12 1 8 1.78 57 11.54 543 6.68 589 6.88 66 612 8 7 6 5 SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) 6 4 2 146 1.8 5.31 314 315 1.36 1.52 351.88 321 329 1.23 4.71 3.19 333 4 3 2 1 SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 3-Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm 12 1 8 1.78 57 11.54 543 6.68 589 6.88 66 612 8 7 6 5 SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast 6 4 2 146 1.8 5.31 314 315 1.36 1.52 351.88 321 329 1.23 4.71 3.19 333 4 3 2 1 SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 3-Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm 12 1 8 1.78 57 11.54 543 6.68 589 6.88 66 612 8 7 6 5 SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast 6 4 2 146 1.8 5.31 314 315 1.36 1.52 351.88 321 329 1.23 4.71 3.19 333 4 3 2 1 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

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 3-Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm 12 1 8 1.78 57 11.54 543 6.68 589 6.88 66 612 8 7 6 5 SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast 6 4 2 146 1.8 5.31 314 351 315 1.36 1.52 321 329.88 1.23 4.71 333 3.19 4 3 2 1 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

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 3-Punkt Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 45 mm 12 1 8 1.78 57 11.54 543 6.68 589 6.88 66 612 8 7 6 5 SEA durch PU-Schaumfüllung deutlich verbessert (Außer M5D und M3D) Mg AZ31B übertrifft Stahl DC4 bzgl. SEA für hohle dünnwandige Profile unter Biegelast 6 4 2 146 1.8 5.31 314 351 315 1.36 1.52 321 329.88 1.23 4.71 333 3.19 4 3 2 1 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

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 25 mm 12 8 1 7 8 6 6.94 327 7.51 353 6.1 529 6.31 556 546 333 6 5 4 4 3.16 187 249 255 228 234 4.21 3.19 3 2 2 113 1.4 1.8 1.1.62.88 1 SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Versuch Energieabsorptionsfähigkeit: Durchbiegung von 25 mm 12 1 8 7 M2D vs S2S: M2D hat 33% höhere EA und 2.9 mal höhere SEA als S2S, und ist 55% leichter 8 6 6.94 327 7.51 353 6.1 529 6.31 556 546 333 6 5 4 4 3.16 187 249 255 228 234 4.21 3.19 3 2 2 113 1.4 1.8 1.1.62.88 1 SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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 8 6 6.94 327 7.51 353 6.1 529 6.31 556 546 333 6 5 4 X3D vs S4D: X3D absorbiert 16% weniger Energie als S4D, erreicht 1.6 mal höher SEA und ist 46% leichter 4 3.16 187 249 255 228 234 4.21 3.19 3 2 2 113 1.4 1.8 1.1.62.88 1 SES S2S S4S S4D XES XED X3S X3D MED M5D M2D M3D Stahl-Blechprofil Mg-Extrusionsprofil Mg-Blechprofil Energieabsorption EA Spez. Energieabsorption SEA

Energieabsorption EA [kj] Spezifische Energieabsorption SEA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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 8 6 4 2 113 1.4 3.16 187 6.94 327 7.51 353 249 255 1.8 1.1 6.1 529 6.31 556.62 228 234.88 4.21 546 3.19 333 6 5 4 3 2 1 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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) 247-267.

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Simulation FE-Simulation: hohle Profile Stahlprofil hohl Mg-Extrusionsprofil hohl Mg-Blechprofil hohl Gute Korrelation Gute Korrelation Generell gute Korrelation

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Simulation FE-Simulation: schaumgefüllte Profile Stahlprofil gefüllt Mg-Extrusionsprofil gefüllt Mg-Blechprofil gefüllt Gute Korrelation Gute Korrelation Gute Korrelation

Spez. Energieabsorption SEA [kj/kg] Energieabsorption EA [kj/kg] > Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Drei-Punkt-Biegung: Simulation Energieaufnahmevermögen: Versuch vs Simulation 12 1 EA_TEST EA_SIM 1.78 11.14 8 6 5.31 5.72 6.88 6.36 4 2 1.8 1.81 1.36 1.36.88.75 SES S2S S4S XES X3D MED 7 6 5 SEA_TEST SEA_SIM 57 524 66 56 Max. Fehler 4 3 314 338 315 315 321 275 2 1 146 147 SES S2S S4S XES X3D MED Max. Fehler <14%

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 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

> Präsentation > Thomas Grünheid Crashverhalten - AZ31B Profile > 16.9.215 Vielen Dank!