Bestimmung und Modellierung der dynamischen Werkstoffcharakteristik für FE-Crashsimulationen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Xiangfan Fang; Professor Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391544620

Beim Fahrzeugcrash treten Verformungen mit hohen Dehnraten von bis zu 1000 1/s auf, die durch FEM richtig abgebildet werden müssen. Bisher erfolgt die Bestimmung der Werkstoffcharakteristik wegen der Systemschwingungen des Prüfaufbaus durch 3 verschiedene Versuchstechniken. Die Werkstoffdaten für die FE-Berechnung sind teilweise nicht exakt oder unvollständig. Einige Werkstoffparameter müssen über Reverse Engineering ermittelt werden. Diese Vorgehensweise ist physikalisch nicht fundiert. In den eigenen Vorarbeiten wurde eine neue Probengeometrie entwickelt, durch die eine schwingungsfreie Kraftmessung möglich ist. Damit können nun weitere, bisher nicht messbare, Werkstoffparameter ermittelt werden.In Phase 1 dieses Projektes wurden die o.g. schwingungsfreien Kraftmessungen mittels eines 1-dim. Balkenmodels und basierend auf Versetzungsdämpfungen verstanden und modelliert. Das Prinzip wurde dann auf fünf verschiedene gekerbte Proben zur Einstellung unterschiedlicher Spannungsmehrachsigkeit angewendet. Die Fließflächen und die Versagensgrenzflächen wurden anschließend exakt bis 10 m/s bestimmt, was erheblich über dem Stand der Forschung liegt. Es ist erkennbar, dass die "Expansion" der Fließfläche mit der Deformation inhomogen ist und abhängig vom Spannungszustand sowie von den Dehnraten stattfindet. Der unerwünschte starke Anstieg der Dehnraten nach der Probeneinschnürung, konnte für quasi-statische Versuche vollständig beseitigt werden. Für dynamische Versuche wird derzeit noch an Lösungen gearbeitet. Nachdem in Phase 1 des Projektes fast alle geplanten und von der DFG bewilligten Arbeiten abgeschlossen sind, wird in diesem Fortsetzungsantrag (Phase 2 des Projektes) den DFG-Empfehlungen folgend, eine weitere Expertise in Form eines Projektpartners aus der Werkstofftechnik eingebunden. Dadurch sollen neben der verbesserten Beschreibung der Plastizität und des Versagensverhaltens der untersuchten Stähle sowie deren makroskopischer Modellierung auch weitere Erkenntnisgewinne hinsichtlich mikrostruktureller Einflussgrößen auf Plastizität, Schädigung und Versagen generiert werden. Das geschieht skalenübergreifend.In Phase 2 des Projektes soll die inhomogene Expansion der Fließfläche im Spannungsraum modelliert und zur Weiterentwicklung des kontinuumsmechanischen (KM) Schädigungsmodells eingesetzt werden. Zur skalenübergreifenden Modellierung werden 3D-SRVEs aufgebaut, in denen das konstitutive Werkstoffverhalten mit CP-Modellen beschrieben wird. Damit soll ermöglicht werden, die werkstofftechnischen Vorgänge während des Crashvorgangs zu modellieren und zu verstehen. Auch die bisher praktisch nicht messbare Größe „Schädigungsinitiierung“ für die KM-Modelle soll an den 3D-SRVEs berechnet werden. Das „reverse engineering“ entfällt dadurch. Somit steht am Ende eine Methodik zur Verfügung, um quantitative Korrelationen zwischen Gefüge und dynamischen Eigenschaften des Werkstoffs sowie dessen Crashverhalten im Bauteil zu formulieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen