Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung und Modellierung des Versagensverhaltens von Komponenten aus duktilem Gusseisen für die Crashsimulation

 

Duktiles Gusseisen mit Kugelgraphit wird häufig in Strukturkomponenten von Lastwagen eingesetzt, die das Crashverhalten maßgeblich beeinflussen. Da viele Unfälle durch Zusammenstöße zwischen PKW und LKW verursacht werden, ist eine optimierte Struktur und Anordnung der Front- und Heckkomponenten von LKW für die Verminderung von Unfallfolgen von zentraler Bedeutung. Bisher liegen noch keine systematischen Ergebnisse über das Crashverhalten solcher Werkstoffe vor. Das Verformungs- und Versagensverhalten von Komponenten aus duktilem Gusseisen ist wegen spezifischen Materialverhaltens sowie komplexer Bauteilgeometrie mit inhomogenen Eigenschaften bei der Crashsimulation sehr schwierig vorherzusagen. Ein übertragbares Versagensmodell mit Berücksichtigung der Einflüsse des Spannungszustands und der Dehnrate auf das Versagen wird benötigt.

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer zuverlässigen und effizienten Methode zur Modellierung des Versagensverhaltens von verschiedenen duktilen Gusseisenvarianten mit Kugelgraphit für die Crashsimulation. Hier muss die Dehnratenabhängigkeit einer Versagensfläche (Bruchdehnung als Funktion der Mehrachsigkeit und des Lode-Parameters) ermittelt werden. Dabei sollen die Einflüsse von Mikrodefekten auf das Bruchverhalten durch Einbeziehung der Verteilungen von Porosität bzw. Kugelgraphit in die Modellierung berücksichtigt werden. Dafür werden Proben durch CT-Analysen untersucht. Vorhandene Werkstoff- und Versagensmodelle werden um die Beschreibung der Wechselwirkungen des Spannungszustands, der Dehnrate und adiabatischer Erwärmung auf das Crashverhalten erweitert. Zur Ermittlung von Versagensparametern für unterschiedliche Werkstoffvarianten wird eine effiziente Methode auf Basis von wenigen Versuchen abgeleitet. Validierungsversuche an Komponenten und Bauteilsimulationen werden unter verschiedenen Belastungen und Belastungsgeschwindigkeiten durchgeführt.

Bei der Fahrzeugentwicklung werden häufig KMU mit der Entwicklung von Fahr-zeugkomponenten oder Teilsystemen betraut, die Crashberechnungen durchführen und konstruktive Vorschläge erarbeiten. Vom hier entwickelten Verfahren mit deutlich verbesserter Prognosefähigkeit und reduziertem Untersuchungsaufwand werden KMU stark profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurden die Einflüsse des Spannungszustands und der Dehnrate auf Verformung und Versagen von GJS-450-18 und GJS-500-14 anhand von verschiedenen Proben mit großer Variation der Mehrachsigkeit und des Lode-Parameters unter statischer und dynamischer Belastung charakterisiert und simuliert. Die Mikrostruktur und die Bruchflächen von ausgewählten Proben wurden mit Metallographie, Fraktographie und CT-Untersuchungen analysiert. Ein direkter Zusammenhang zwischen Gießprozess, Kugelgraphitverteilung und mechanischen Eigenschaften wurde erfasst. Fünf unterschiedliche Werkstoffmodelle wurden systematisch untersucht und kalibriert. Ein Versagensmodell auf Basis der vom Spannungszustand abhängigen Bruchdehnung wurde in Kombination mit drei ausgewählten Werkstoffmodellen verwendet. Zur Validierung der verwendeten Werkstoff- und Versagensmodelle wurden statische und dynamische Bauteilversuche an einer Konsole durchgeführt und simuliert. Eine Methode für zukünftige Versagensmodellierung wurde empfohlen.

Eine wichtige Erkenntnis aus diesen Untersuchungen ist, dass die mechanischen Eigenschaften in einer Komponente deutlich von denen aus einer separat für die Werkstoffcharakterisierung gegossenen Probe abweichen können. Im Rahmen des Projekts wurde festgestellt, dass die statischen und dynamischen Bauteilversuche an der Konsole nur durch die Anwendung der Materialdaten von den Proben aus der Komponente wiedergegeben werden können. Für die Bauteilsimulation wurde die Elementgrößenabhängigkeit der Versagensparameter kalibriert.

Für die beiden Werkstoffe GJS-450-18 und GJS-500-14 wurden die vollständigen Materialkarten mit Berücksichtigung von verschiedenen Einflüssen erstellt und überprüft. Sie können als eine gute Basis zur Ermittlung von Materialkarten für andere Werkstoffvarianten im Bereich des duktilen Gusseisens eingesetzt werden.