Faserverbund-Leichtbau Crashsimulation benötigt Daten aus der Fertigung

Der Trend zum Faserverbund-Leichtbau bei Automobilen treibt die Weiterentwicklung von Software für die Finite-Elemente-Analyse voran. Eine realistische Vorhersage des Crashverhaltens von Bauteilen erweist sich dabei nur lösbar, indem Prozessdaten aus der Fertigung einbezogen werden.

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Es gibt viele Gründe, die für die Verwendung von Composite-Werkstoffen im Fahrzeugbau sprechen: So lassen sich mithilfe von kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen spürbare Gewichtseinsparungen an Bauteilen erreichen, die bei Ausschöpfung aller Werkstoffpotenziale – selbst ohne Einbeziehung der Antriebstechnik – eine deutliche Verringerung des CO₂-Ausstoßes ermöglichen. Außerdem können mit diesen Verbundwerkstoffen im Automobilbau komplexere Bauteile gefertigt und anspruchsvollere Bauteilgeometrien realisiert werden als mit traditionellen Konstruktionswerkstoffen.

Verwendung von Composites-Werkstoffen erfordert genaue Kenntnis von Faser, Matrix und Kombination

Voraussetzung dafür ist eine sehr genaue Kenntnis der verwendeten Faser-Matrix-Kombination. Neben den Werkstoffeigenschaften von Faser und Matrix und deren Verhalten im Verbund ist insbesondere für die richtige Auslegung im Crashlastfall ein tiefgehendes Verständnis des Bauteilversagens von Bedeutung. Zusätzlich zum Faser- und Matrixversagen muss auch das inter- und intralaminare Versagen im Verbund betrachtet werden. Dies stellt zusätzliche Anforderungen an die verwendete Finite-Elemente-Software im Gesamten, aber auch an die eingesetzte Diskretisierung und die gewählte Modelltechnik.

So müssen insbesondere ortho- oder anisotrope Materialeigenschaften und Versagensmodi im Simulationsmodell berücksichtigt werden, die in der Regel spezifisch für die jeweilige Faser-Matrix-Kombination sind. Hierin liegt insbesondere im Vergleich zu nahezu isotropen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium eine nicht zu unterschätzende Herausforderung. Zusätzliche Nichtlinearitäten bei einer Schubbeanspruchung, die mit den mikromechanischen Wechselwirkungen der Composite-Werkstoffe zu erklären sind, bedingen zudem fast zwangsläufig die Entwicklung neuer, homogenisierter – also auf Makroskala anwendbarer – Materialformulierungen.

Homogenisierte Modelle reichen für elastisches Verhalten aus

Im Laufe der Jahre ist mit steigender Rechenleistung und -kapazität die Anzahl der Elemente in einem Gesamtfahrzeug-Crashmodell von etwa 600 in den 70er-Jahren auf über 5 Mio. bei aktuellen Modellen gestiegen. Die dabei auftretenden charakteristischen Kantenlängen der Elemente – ein limitierender Faktor bei Berechnungen mit expliziten Zeitintegrationsverfahren – von etwa 3 bis 5 mm erfordern gerade bei Composite-Werkstoffen ein hohes Maß an Homogenisierung der Werkstoffeigenschaften. Diese Homogenisierung stellt wiederum eine Herausforderung für den Berechnungsingenieur dar.

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