Materialcharakterisierung und -modellierung für crashgerechte Leichtbauanwendungen

Zur Absicherung der Crasheigenschaften im Fahrzeugbau hat sich der Einsatz von rechnerunterstützten Auslegungsmethoden bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung etabliert. Um eine hohe Ergebnisgüte der verwendeten Simulationsverfahren zu gewährleisten, müssen die herangezogenen Materialmodelle den hohen Anforderungen genügen, die die Berechnung der häufig anisotropen und im Crashfall mit hohen Dehnraten beaufschlagten Strukturen mit sich bringt.
Die Auswahl geeigneter Materialmodelle und die experimentelle Ermittlung von dehnraten- und temperaturabhängigen Werkstoffparametern ist Arbeitsbestandteil der Leichtbaugruppe am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik der FAU. Die so gewonnenen Simulationsergebnisse können mit Crashversuchen auf Komponentenebene validiert werden.

Servohydraulische Hochgeschwindigkeitsprüfanlage

Mit der servohydraulischen Hochgeschwindigkeitsprüfanlage Zwick HTM 5020 können Zug- und Durchstoßversuche mit bis zu 50 kN Last und 20 m/s Abzugsgeschwindigkeit durchgeführt werden. Dies entspricht erreichbaren Dehnraten von bis  zu 1000 s^-1. Für die Kraftauswertung der nur wenige Millisekunden dauernden Versuche werden  die Eingangssignale hochfrequent mit bis zu 8 MHz aufgezeichnet und bereitgestellt. In Kombination mit der optischen Auswertungstechnik GOM Aramis HHS können damit  präzise Spannungs-Dehnungs-Kurven erstellt werden, die die Grundlage für die Parameteroptimierung von Materialmodellen bilden.

Temperaturkammer

Eine integrierte Temperaturkammer ermöglicht Versuche von -60° bis 150 °C. Damit können die Versuchsbedingungen an den späteren Einsatz angepasst und temperaturabhängiges Materialverhalten untersucht werden.

Stereoskopes Kamerasystem

Um eine genaue, berührungslose Messwerterfassung zu gewährleisten wird zur Auswertung der Bauteil- und Probendeformation das stereoskope Kamerasystem Photron Fastcam eingesetzt. Es ermöglicht Aufnahmeraten bis 750.000 Bildern pro Sekunde und kann sowohl an der Hochgeschwindigkeitsprüfanlage wie auch am Fallturm eingesetzt werden. Mittels Grauwertkorrelation wird die auftretende Dehnung lokal bestimmt und mit Simulationsergebnissen abgeglichen.

Fallturm

Für Bauteiltests sowie zur Validierung von Materialmodellen steht ein Fallturm zur Verfügung. Mit ihm können Impaktorversuche bei Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s durchgeführt werden. Die übertragbare Energie beträgt maximal 200 J. Die Bruchbilder und Deformationen von Versuch und Simulation können anschließend verglichen und gegebenenfalls angepasst werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die aus Zugversuchen an Probekörpern ermittelten Materialdaten auch auf Bauteilebene korrekte Ergebnisse liefern.