FE-Simulation: Referenzprojekte auf dem Gebiet der Materialdatenermitlung der Parsolve GmbH, Düsseldorf

Die Parsolve GmbH arbeitet mittlerweile mit 8 der 100 größten deutschen Unternehmen sowie mehreren mittelständischen Firmen zusammen. An dieser Stelle sehen Sie ausgewählte Referenzprojekte, bei denen unser Verfahren FEMCard Pro erfolgreich zur Anwendung kam.

 

Crashberechnung kompaktes Elastomer (Volkswagen AG)

Ein sowohl auf der Versuchs- als auch der Optimierungsseite äußerst anspruchsvolles Projekt wurde in 2012 für die Volkswagen AG in Wolfsburg absolviert. Die dabei ermittelten Materialkarten wurden erfolgreich validiert und kommen seitdem in der FEM-Crash-Berechnung zum Einsatz. Hierfür ist eine hohe Güte der Materialparameter notwendig. Dies konnte mit dem von Parsolve verwendeten Identifikationsverfahren sichergestellt werden. 

 

Auf der Versuchsseite wurden sowohl Zugversuche an gelochten Rechteckproben bei drei verschiedenen Abzugsgeschwindigkeiten (quasistatisch, 0.3 m/s und 5 m/s) als auch quasistatische Druckversuche an Druckzylindern durchgeführt. Es wurden dabei maximale lokale Dehnungen von ca. 100% bzw. 50% erreicht. Mit diesem Versuchsprogramm konnten alle bauteilrelevanten mehrachsigen Spannungszustände und Dehnraten berücksichtigt werden.

 

Zugversuche

Druckversuche

Mithilfe simultaner Mehrparameteroptimierung wurde die vollständige Materialkarte eines geeigneten viskoelastischen Werkstoffmodells ermittelt und verifiziert. Es wurde dabei ein Materialdatensatz bestimmt, mit dem die gesamte Bandbreite an Lastzuständen und Dehnraten optimal abgebildet werden kann. In den folgenden Abbildungen ist anhand des Vergleichs lokaler Verschiebungsverläufe dargestellt, wie gut Messung und Simulation sowohl für überwiegende Zug-Schubbeanspruchungen bei hohen Dehnraten als auch für überwiegende Druck-Schubbelastung im quasistatischen Fall übereinstimmen. Die Bilder links zeigen die Ergebnisse der Verifikation für die gelochte Zugprobe, die Bilder rechts daneben die Ergebnisse für den Zylinderdruckversuch. Es sind jeweils die Lage der Verifikationsknoten und die Verschiebungsverläufe aus Messung und Simulation dargestellt.

 

Verifikation Zug

Verifikation Druck

Viskoelastisches Verhalten eines Elastomerschaums (ABB AG)

Ein auf der Versuchs- und Optimierungsseite ähnlich gestaltetes Projekt wie das Crashprojekt für Volkswagen wurde in 2012 für die ABB AG durchgeführt. Die dabei ermittelten Materialkarten wurden zusätzlich durch uns validiert und kommen seitdem bei  der ABB AG zum Einsatz. Der signifikante Unterschied bei der Materialkennwertbestimmung liegt in der ausgeprägten Kompressibilität des Materials, was zu einer Anpassung bei der Wahl des viskoelastischen Werkstoffmodells führt.

 

Es wurden wiederum sowohl Zugversuche an gelochten Rechteckproben bei drei verschiedenen Abzugsgeschwindigkeiten (quasistatisch, 0.3 m/s und 5 m/s) als auch quasistatische Druckversuche an Druckzylindern durchgeführt. Es wurden dabei maximale lokale Dehnungen von ca. 100% bzw. 50% erreicht. Mit diesem Versuchsprogramm konnten alle bauteilrelevanten mehrachsigen Spannungszustände und Dehnraten berücksicht werden. Im Folgenden sind die beiden Versuchsstände für die Hochgeschwindigkeitszugversuche bzw. die quasistatischen Druckversuche dargestellt.

 

Zugversuche (High Speed)
Druckversuche (quasistatisch)

Die Zug- und Druckproben wurden mit einem Muster aus Grauwerten versehen und anschließend mit dem optischen Messsystem ARAMIS bei unterschiedlichen Lastzuständen vermessen. In den folgenden Abbildungen sind die Probekörper sowie Auszüg aus den optischen Auswertungen dargestellt.

 

Probekörper (Anklicken)

opt. Auswertung

Mithilfe simultaner Mehrparameteroptimierung wurde die vollständige Materialkarte eines geeigneten viskoelastischen Werkstoffmodells ermittelt und verifiziert. Es wurde dabei ein Materialdatensatz bestimmt, mit dem die gesamte Bandbreite an Lastzuständen und Dehnraten optimal abgebildet werden kann. In den folgenden Abbildungen ist anhand des Vergleichs lokaler Verschiebungsverläufe dargestellt, wie gut Messung und Simulation sowohl für überwiegende Zug-Schubbeanspruchungen bei hohen Dehnraten als auch für überwiegende Druck-Schubbelastung im quasistatischen Fall übereinstimmen. Die Bilder links zeigen die Ergebnisse der Verifikation für die gelochte Zugprobe, die Bilder rechts daneben die Ergebnisse für den Zylinderdruckversuch. Es sind jeweils die Lage der Verifikationsknoten und die Verschiebungsverläufe aus Messung und Simulation dargestellt.

 

Verifikation Zug

Verifikation Druck

Validierung am Fallturm

Nach der erfolgreichen Verifikation der Materialdaten wurden Validierungsmessungen am Fallturm durchgeführt. Hierzu wurden die im Rahmen der Parameteridentifikation quasistatisch belasteten Druckprobekörper mit einer Fallgeschwindigkeit von 1,8 m/s und 5 m/s belastet. Die dabei gemessene globale Kraftantwort sowie zwei lokale Verschiebungen auf der Probekörperoberfläche wurden mit den korrespondierenden FE-Simulationsergebnissen verglichen. Im Folgenden sind der Versuchsstand, der Probekörper mitsamt den Markierungen für das Motion Tracking (Punktverfolgung) sowie Validierungsergebnisse abgebildet. Simulationsergebnisse sind jeweils rot dargestellt. Im letzten Diagramm sind die gepunkteten Linien die Verschiebungen in Probekörpermitte, die durchgezogenen die Verschiebungen am Probekörper oben. Man sieht, dass die durch quasistatische Druckversuche und Hochgeschwindigkeitszugversuche ermittelten und verifizierten Materialdaten ebenfalls zu sehr guten Ergebnissen bei der Simulation des Druckverhaltens bei hohen Dehnraten führen.

 

Versuchstand
Markierter Probekörper
Validierung Kraftverlauf
Validierung Verschiebungen

PBT im Automotive Engineering

Eines der jüngeren erfolgreich umgesetzten Prüf-und Auswertekonzepte wird für die Bestimmung von Materialkarten für Drucker-Prager-Plastizität angewendet. Um die deutliche Abhängigkeit des Materials von der Belastungsrichtung vollständig zu erfassen, werden zusätzlich zu Zugversuchen an gelochten Rechteckproben Druckversuche an (in diesem Fall ebenfalls gelochten) Druckzylindern durchgeführt.

 

Zug- und Druckprobekörper mit Loch
Ergebnis der optischen Messungen
an Zug- und Druckprobekörper

Die Vielfarbenbilder zeigen auf der einen Seite die Vertikaldehnungen am Zugprobekörper - man erkennt hier deutlich die starken Lokalisierungseffekte seitlich vom Loch - und auf der anderen Seite den Verlauf der Dehnungen im Hauptachsensystem des Druckprobekörpers. In den folgenden Diagrammen sehen Sie die Verifikation des Simulationsmodells anhand des Vergleichs lokaler Verschiebungsgrößen auf dem Druckzylinder. Dabei werden alle 3 Raumrichtungen betrachtet, was eine absolute Innovation im Bereich der Validierung von Simulationen und zugehörigen Materialmodellen darstellt.

 

Verifikationen Druckversuch

Aluminiumdruckguß für Getriebegehäuse

Zusammen mit der TU Kaiserslautern und der GM Powertrain GmbH wurden die Materialkennwerte für Elasto-Plastizität an 3 unterschiedlichen Probekörpergeometrien ermittelt. Es kamen dabei ein herkömmlicher Zugstab, ein gelochter Probekörper und ein seitlich gekerbter Probekörper zum Einsatz. Im folgenden ist ein gelochter, mit einem stochastischen Grauwertmuster versehene Probekörper dargestellt:

 

 

Um bei der späteren Materialdatenoptimierung sicher zwischen den rein elastischen und plastischen Anteilen der Deformation unterscheiden zu können, wurde ein Versuchsprogramm mit einer (elastischen) Entlastung gewählt (siehe Diagramm rechts). Es kam das unter Materialkennwerte beschriebene Mess- und Auswerteverfahren zur Anwendung. Alle durchgeführten Versuche, also alle drei Probekörperarten und alle Wiederholversuche wurden innerhalb einer Materialdatenoptimierung erfasst und berücksichtigt. Im folgenden animierten GIF sieht man in 20-facher Überhöhung einen Vergleich der gemessenen und simulierten Verschiebungen der einzelnen unterschiedlich belasteten Bereiche eines gelochten Probekörpers.

 

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Man erkennt deutlich die gute Übereinstimmung. Die bleibenden Verformungen werden an allen relevanten Stellen unterschiedlicher Spannungszustände sehr gut abgebildet. Dies wird noch deutlicher wenn man sich den Verschiebungs-Zeit-, sowie Kraft-Verschiebungs-Verlauf an 5 repräsentativen Knoten im Detailvergleich ansieht:

 

 

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Elastomer in der Medizintechnik

Zusammen mit der ECP Entwicklungsgesellschaft mbH in Berlin wurde die Materialkarte für Viskoelastizität ermittelt. Dabei wurden neben den Kennwerten für die Grundelastizität die Parameter für das Kurzzeit- und Langzeitrelaxationsverhalten bestimmt. Es kam ein gelochter Rechteckprobekörper in zwei zeitlich unterschiedlich durchgeführten Versuchen zur Anwendung. Auf den folgenden Abbildungen sind der eingespannte Probekörper sowie die Kraft-Zeit-Verläufe der beiden Versuchsarten dargestellt:

 

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Schaut man sich die zugehörigen Verifikationen an, ist wiederum eine sehr gute Übereinstimmung der Verschiebungsverläufe an nahezu allen Stellen der Probekörperoberfläche gegeben. Eine separate Auswertung der Versuche für das Kurzzeit- und Langzeitverhalten macht eine noch bessere Anpassung möglich, sollte das eine bzw. andere Materialverhalten in der späteren Bauteilanwendung dominieren.

 

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Die mit dem ermittelten Datensatz (18 Materialparameter für das elastische und viskose Verhalten) durchgeführten FEM-Analysen zeigen deutlich, wie das viskoelastische Verhalten nun abgebildet werden kann. Es sind die logarithmischen Dehnungen, die von Mises-Spannungen und die hydrostatischen Spannungen jeweils beim Kraftmaximum (oben) und am Versuchsende (unten) dargestellt.

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