Leichtbauzentrum

Materialcharakterisierung und -modellierung für crashgerechte Leichtbauanwendungen

• Präzise Crashsimulation durch realitätsnahe Materialmodelle.
• Anisotropie, Dehnraten, Temperatur – wir machen Materialverhalten berechenbar.
• Validierte Materialdaten für sichere Leichtbaustrukturen.

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Zur Absicherung der Crasheigenschaften moderner Leichtbaustrukturen im Fahrzeugbau hat sich der Einsatz rechnergestützter Auslegungsmethoden bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung etabliert. Damit die Crashsimulation eine hohe Ergebnisgüte liefert, müssen die verwendeten Materialmodelle den komplexen Anforderungen genügen. Besonders relevant ist die präzise Abbildung anisotroper Materialien, die unter Crashbelastung sehr hohen Dehnraten ausgesetzt sind.

Die Auswahl geeigneter Materialmodelle sowie die experimentelle Ermittlung dehnratenabhängiger und temperaturabhängiger Werkstoffparameter gehören zu den Kernaufgaben der Leichtbaugruppe am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik der FAU. Die gewonnenen Materialkennwerte und Simulationsdaten werden durch Crashversuche auf Komponentenebene validiert, um die Prognosefähigkeit der Modelle unter realen Belastungs- und Dehnratenbedingungen zuverlässig sicherzustellen.

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Servohydraulische Hochgeschwindigkeitsprüfanlage Zwick HTM 5020

Die Hochgeschwindigkeitsprüfanlage Zwick HTM 5020 ermöglicht präzise Zugversuche, Durchstoßprüfungen und materialcharakterisierende Hochgeschwindigkeitsversuche, wie sie für die Crashsimulation von Leichtbauwerkstoffen benötigt werden. Das System erlaubt Prüfungen mit Lasten bis 50 kN und Abzugsgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s, wodurch Dehnraten bis 1000 s⁻¹ erreicht werden. Diese Prüfbedingungen entsprechen den realen Belastungsszenarien, die beim Crashverhalten hochfester Werkstoffe auftreten.

Für die Kraftmessung der nur wenige Millisekunden dauernden Versuche werden die Eingangssignale hochfrequent mit bis zu 8 MHz aufgezeichnet. In Kombination mit dem optischen Messsystem GOM Aramis HHS entstehen hochauflösende Spannungs-Dehnungs-Kurven. Diese Daten bilden die Grundlage für die präzise Parameteroptimierung von Materialmodellen und die Validierung numerischer Crashsimulationen.

Servohydraulischer Pulser HCT25

Zur Erforschung des Ermüdungsverhaltens faserverstärkter Leichtbauwerkstoffe steht ein servohydraulischer Pulser zur Verfügung. Mit diesem System lassen sich präzise zyklische Prüfversuche unter definierten Belastungsbedingungen durchführen. Der Pulser ermöglicht axiale Lasten bis 25 kN, Drehmomente bis 250 Nm und Prüffrequenzen von bis zu 30 Hz.

Eine zusätzliche Temperierung im Bereich von -30 °C bis +150 °C erlaubt die Untersuchung des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens unter realistischen Einsatzbedingungen. Auf diese Weise können Werkstoffe für den Leichtbau gezielt charakterisiert und validiert werden, um ihre Leistungsfähigkeit auch bei wechselnden Temperaturen und zyklischer Belastung zuverlässig vorherzusagen.

Temperaturkammer

Eine integrierte Temperaturkammer ermöglicht Materialprüfungen in einem weiten Temperaturbereich von -60 °C bis +150 °C. Dadurch können die Versuchsbedingungen präzise an den späteren Einsatz angepasst werden. Das temperaturabhängige Materialverhalten von Leichtbauwerkstoffen lässt sich so unter realistischen Bedingungen detailliert untersuchen und dokumentieren.

Stereoskopes Kamerasystem

Um eine präzise und berührungslose Dehnungserfassung zu gewährleisten, stehen mit den Systemen GOM Aramis HHS und Aramis 4M zwei leistungsstarke optische Kamerasysteme zur Verfügung. Diese Messsysteme können sowohl an der Hochgeschwindigkeitsprüfanlage als auch am servohydraulischen Pulser eingesetzt werden.

Für die Analyse von Hochgeschwindigkeitszugversuchen erreichen die Kameras Bildfrequenzen von bis zu 100.000 Hz. Bei zyklischen Belastungsprüfungen können Abtastraten bis 120 Hz genutzt werden. Durch die Grauwertkorrelation wird die auftretende Dehnung lokal hochauflösend bestimmt und direkt mit den Ergebnissen aus der Simulation verglichen. Dies ermöglicht eine exakte Materialcharakterisierung und Validierung der Materialmodelle.

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Steifigkeitsprüfstand – „Bärenfels“

Für die Bauteilprüfung und Baugruppenprüfung im Leichtbau steht der Steifigkeitsprüfstand „Bärenfels“ zur Verfügung. Durch die großzügigen Bauraumabmessungen von 1300 × 1250 × 1000 mm können auch umfassende Belastungstests an kompletten Baugruppen, wie der Durchsenkung einer Autotür oder der Verformung großformatiger Leichtbaustrukturen, durchgeführt werden.

Mithilfe eines leistungsstarken Hydraulikzylinders und variabel positionierbarer Umlenkrollen lassen sich Prüfkräfte bis 100 kN in nahezu beliebiger Richtung aufbringen. Diese hohe Flexibilität erlaubt es, verschiedene Belastungsszenarien und Steifigkeitsprüfungen praxisnah zu simulieren.

Der modulare Aufbau des Versuchsstands ermöglicht eine schnelle, bauteilspezifische Anpassung der Prüfkonfiguration. So können Bauteile und Baugruppen effizient auf ihre mechanische Belastbarkeit getestet und die Ergebnisse präzise dokumentiert werden.

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