Untersuchung zur Verbesserung des Crashverhaltens eines 2-Kammer-Profils

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung des Crashverhaltens eines bestehenden 2-Kammer-Profils. Die für die Herstellung des Strangpressprofils verwendete hochfeste Aluminiumlegierung besitzt eine geringe Duktilität, was zur Folge hat, dass große plastische Verformungen während des Stauchvorgangs zur Rissbildung führt. Ziel der Arbeit ist die Minimierung dieser Rissbildung und eine damit verbundene Erhöhung der Energieabsorption durch spezielle geometrische Veränderungen des Profilquerschnitts. Die Simulation des Stauchvorganges erfolgt mit der Software LS-DYNA unter Verwendung eines elastisch-plastischen Materialmodells und eines Schädigungsmodells zur Vorhersage von duktilem Materialversagen. Für das Simulationsmodell wird eine Netzstudie und eine Untersuchung zur Massenskalierung durchgeführt. Die geometrische Veränderung des Profilquerschnittes basiert auf einer Methode zur Kerbformoptimierung, der Methode der Zugdreiecke nach Mattheck. Diese wird auf die Radien der T-Sektionen des Profils angewandt. Vorrangig werden die auftretenden Spannungspitzen in der ersten Falte im Profil analysiert und die Originalgeometrie mit der veränderten verglichen. Es wird gezeigt, dass durch die Geometrieveränderung eine Verringerung der Spannungen bei Faltenbildung erreicht wird. Der Vergleich des Crashverhaltens der beiden Profilvarianten zeigt in der Simulation, dass dadurch ein geringeres lokales Materialversagen auftritt und die Energieabsorption erhöht wird. In einer Parameterstudie wird untersucht, welchen Einfluss unterschiedliche Größen der neuen Geometrievariante auf das Crashverhalten haben. Bei der Auswertung der Simulationen wird diesbezüglich ein Optimum gefunden. Ein Stauchversuch zur Validierung der Simulationen wird durchgeführt. Die Ergebnisse des Versuchs zeigen eine verringerte Rissbildung, eine Erhöhung der Energieabsorption und bestätigen somit die Ergebnisse der Simulation. Es werden weitere Anwendungsgebiete der Geometrievariation auf Crashprofile und mögliche Ansätze für die weitere Verbesserung des 2-Kammer-Profils und des Simulationsmodells vorgeschlagen.

The Master´s thesis at hand is dealing with the improvement of the crash behaviour of an existing two-chamber column. The high-strength aluminum alloy used for the production of this extrusion profile has a low ductility. Thus, during axial crushing crack formation occurs due to large plastic deformations. The objective of the present thesis is the minimisation of this crack formation as a consequence of increased energy absorption by means of special geometric modifications of the column T-shapes. The simulation of the crushing has been conducted with the software LS-DYNA using an elastic-plastic material modeling and a damage model for ductile failure prediction. For the setup of the simulation model a mesh study and an investigation of the effects of mass scaling have been carried out. The geometric modification of the column T-shapes is based on a method for notch shape optimization, called method of tensile triangles according to Mattheck, which is being applied on the radii of the T-shapes of the profile. During wrinkle formation the occurring stress peaks in the first fold of the column are being analyzed and the original geometry is being compared with the altered geometry. It is shown that the geometry modification does cause a stress reduction in the T-shapes. The comparison of the simulated crash behaviour of the two types of columns shows that less failure occurs and the energy absorption is increased. In a parametric study the influence of different sizes of the new geometry on the crash behaviour is being investigated with the aim of finding the optimum. In order to validate the simulation results experiments have been carried out, which do confirm the outcome of the simulation. As a conclusion additional fields of application of the new geometry on columns and possible approaches for further improvement of the two-chamber column as well as the simulation model are being proposed.