Sicher ist sicher dank CAE-Validationsstudie

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Testaufbau für die dynamische Werkstoffanalyse

Die Hardware-Tests koordinierte Professor Stefan Kolling vom Institut für Mechanik und Materialforschung. Ziel des IMM war die dynamische Werkstoffcharakterisierung und bruchmechanische Analyse ausgewählter Plexiglas-Typen. „Die Ermittlung von Materialkennwerten ist immer spannend, denn auch wenn man aufgrund des Mischungsverhältnisses eine Erwartung an das Werkstoffverhalten hat, so kann es doch zu Überraschungen kommen“, erklärt Kolling. Besonders bei Kunststoffen treten bei den Ergebnissen von Hardware-Test oft hohe Streuungen auf. „Im Mittelpunkt standen für uns die Biegefestigkeit, die Beanspruchung bei bi-axialen Spannungszuständen und die Frage, wann es zur Riss- oder Beulenbildung kommt.“

Materialmodell um neue Verhaltensweisen erweitert

Im Testaufbau wurden die Rohlinge aus Plexiglas in einen Aluminiumblock eingelegt, in dem die exakte Kontur des Seitenfensters ausgefräst worden war, und mit einen Klebstoff für Fahrzeugscheiben fixiert. So wurde der reale Einbaufall nachgestellt. Mit dieser Installation reduzierten die Mitarbeiter des IMM bewusst die Freiheitsgrade. Unbekannte Außeneinflüsse – beispielsweise die Dämpfung der auf das Plexiglas wirkenden Beschleunigung durch die Karosserie – wurden so vermieden. Zudem gestaltete sich der Testaufbau mit Blick auf die Kosten und Materialeinsatz deutlich einfacher. Die bruchmechanische Analyse wurde mit uniaxialen Zugversuchen sowie mit Drei-Punkt-Biegeversuchen realisiert. Den Testverlauf zeichnete eine Hochgeschwindigkeitskamera auf.

Anhand der ermittelten Materialkennwerte erweiterten die Mitarbeiter des IMM das bestehende Materialmodell mit den neuen Ergebnissen zu Verhaltensweisen. Die bisher auf uniaxialem Zug und Biegung validierte Karte konnte nun um das mehrachsige Verhalten erweitert werden.

Vergleich zwischen Simulation und realem Test

Tecosim führte anhand der neuen Materialkennwerte die erste Simulation des Crashs durch. Dazu übertrugen die Ingenieure die Daten aus der Materialkarte auf das bestehende TEC|Bench-Modell. Bei der Simulation des Crashtests reduzierten sie – analog zum realen Hardware-Test – alle Freiheitsgrade und definierten die Fensterfläche als unendlich steifen Körper (Mat Ridig). Das Ergebnis: Die Deformation der Glasscheibe konnte prinzipiell gut dargestellt werden. Die Bruchspannung, die aus einem dehnratenabhängigen Hauptdehnungskriterium besteht, zeigte im Diagramm jedoch noch deutliche Abweichungen zwischen realem Test und Simulation.

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Nun begann das Finetuning: Gemeinsam diskutierten die Mitarbeiter von IMM und Tecosim die nächsten Schritte zur Anpassung der Materialkartenwerte hinsichtlich des dynamischen Verhaltens. Die erfahrenen Ingenieure des CAE-Spezialisten schlugen vor, welche Werte für eine bessere Annäherung der Ergebnisse im System verändert werden sollten. Nach insgesamt nur acht weiteren Simulationsdurchläufen konnte der Kurven-verlauf der Bruchdehnung so angepasst werden, dass die Ergebnisse im Vergleich zum Hardware-Test eine sehr gute Korrelation aufzeigten.

CAE-Validationsstudie gute Basis

„Die Ergebnisse aus dieser CAE-Validationsstudie sind für uns eine sehr gute Grundlage, um Gespräche mit OEMs zum erweiterten Einsatz unserer schlagzäh-modifizierten Plexiglas-Typen im Bereich Verscheibung zu führen“, freut sich Löffler. Mit der Zusammenarbeit mit Tecosim und dem IMM ist er sehr zufrieden. In Kürze wird das Projekt fortgeführt: Geplant ist eine Studie zu einem Panoramadach, an der sich auch ein Automobilhersteller beteiligt. Und auch ein Forschungsprojekt, bei dem das Bruchverhalten unter mehrachsiger Beanspruchung genauer untersucht werden soll, wird aktuell diskutiert. (mz)

* Dipl.-Ing. Damaso Lopez-Ruiz, Team Manager, Tecosim Technische Simulation GmbH, Rüsselsheim

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