Entwicklung einer Methode zur Crashsimulation von Langfaserverstarkten Thermoplast (LFT) Bauteilen auf Basis der Faserorientierung aus der Formfullsimulation

摘要

Die Entwicklung einer Methode fur die Crashsimulation von Bauteilen aus langfaserverstarkten Thermoplasten (LFT) gliedert sich in drei Bereiche. Zunachst wird eine Prozesssimulation entwickelt, die die Faserorientierungsverteilungen und die Faservolumenkonzentrationen lokal korrekt vorhersagen kann. Hierzu ist eine konsistente Modellierung der dynamischen Gleichungen zur Fullsimulation, Faserkonzentrationsanderung und Faserorientierung langfaserverstarkter Thermoplaste entwickelt worden, die die gekoppelten Wechselwirkungen im analytisch gegebenen rheologischen Modell abbildet. Eine Realisierung des Modells erfolgt in der Simulationsplattform CoRheoS und wird anhand der umfangreichen Experimente validiert. Danach wird ein spritzgegossener LFT-Werkstoff der Firma Sabic sowohl auf der Mik-roals auch auf der Makroebene experimentell charakterisiert. Zur Analyse der Mikrostruktur werden unterschiedliche Methoden herangezogen. Faserorientierungsverteilungen und Faserkonzentrationen werden jedoch vornehmlich mit Hilfe der Computertomographie (CT) bestimmt. Die mechanische Charakterisierung wird an makroskopischen Versuchen bei unterschiedlichen Spannungszustanden und Dehnraten durchgefuhrt. Dabei wurden zum einen lokale Unterschiede innerhalb einer Platte genauer untersucht, zum anderen wurden die Entnahmepositionen der Proben so gewahlt, dass Ergebnisse im Mittel reprasentativ fur die Eigenschaften der Spritzgussplatten stehen. Fur die gesamte Charakterisierung wurden spezielle, besonders fur dynamische Prufung geeignete Probenformen verwendet. Im Fall der Scherzugprobe wurde die Probenform werkstoffspezifisch neu entwickelt. Grundlegende mechanische Eigenschaften werden parametrisiert in einem Werkstoffmodell berucksichtigt. Es wird ein Materialmodell vorgestellt, das durch die Kombination eines analytischen mikro-mechanischen Ansatzes zur Approximation der anisotropen elastischen Steifigkeiten mit einer phanomenologischen Beschreibung zur Abbildung der plastischen und visko-elastischen Eigenschaften effizient in der Crashberechnung angewendet werden kann. Effekte wie Schadigung und Versagen werden mit Hilfe eines isotropen Ansatzes ebenfalls berucksichtigt. Es wurde in dem Finite-Elemente-Code LS-DYNA implementiert. Die Kalibrierung der Parameter des neu entwickelten Materialmodells erfolgt mit Hilfe der makroskopischen Charakterisierungsversuche durch inverse Simulation. Die Validierung der entwickelten Methode erfolgt durch die Simulation der gesamten Prozesskette von der Spritzgusssimulation, der Ubertragung von Faserorientierungsverteilungen und -volumengehalt auf die FEM-Modelle (Mapping) bis hin zur Crashsimulation an einem Serienbauteil wie es aktuell bei dem Auto-mobilhersteller Daimler AG verbaut wird. Das Ergebnis wird mit experimentellen Versuchsdaten verglichen. Zudem wird der Crashversuch mit einem isotropen Materialmodell simuliert und den Ergebnissen gegenubergestellt.