DE102006039977A1

DE102006039977A1 - Verfahren zur Ermittlung des Crashverhaltens eines Bauteils für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102006039977A1
Application number: DE102006039977A
Authority: DE
Inventors: Lars Greve
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Crash-und/oder Engieabsorptionsverhaltens eines Bauteils (1) für ein Fahrzeug, wobei für das Bauteil (1) oder einen Teil des Bauteils (1) ein Finite-Element-Modell (M1) mit zumindest zwei an einem Knoten (112) miteinander verbundenen finiten Elementen (10, 20) erstellt wird, wobei mittelts des Finite-Elemente-Modells (M1) ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil (1) und einem Objekt (2) simuliert wird, bei dem das Objekt (2) das Bauteil (1) zumindest teilweise penetriert, und wobei ein finites Element (10) eine Rückstellspannung (sigma<SUB>10</SUB>) auf das Finite-Elemente-Modell (M1) ausübt, während es von dem Objekt (2) penetriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Crash- und/oder Energieabsorbtionsverhaltens eines Bauteils für ein Fahrzeug, wobei für das Bauteil oder einen Teil des Bauteils ein Finite-Elemente-Modell mit zumindest zwei an einem Knoten miteinander verbundenen finiten Elementen erstellt wird, und wobei mittels des Finite-Elemente-Modells ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil und einem Objekt simuliert wird, bei dem das Objekt das Bauteil zumindest teilweise penetriert.
Die WO 2006/003438 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Einschlagwiderstandes einer Struktur, die energieabsorbierendes Material umfasst, wobei für eine oder mehrere Lagen eines finiten Elementes für das energieabsorbierende Material während eines Einschlags bestimmt wird, ob eine Schicht oder ein Element als versagend anzusehen ist, wobei in dem Fall, dass eine Schicht oder ein Element als versagend anzusehen ist, ein Last tragender Teil der Struktur definiert wird, und wobei besagter Last tragender Teil für weitere Berechnungen als einen andauernden Widerstand entfaltend angesehen wird.
Weitere Verfahren zur Ermittlung eines Crash- und/oder Energieabsorbtionsverhaltens offenbaren z.B. folgende Quellen:

– Schweizerhof K., Maier M., Matzenmiller A., Rust W.: "Composite Crash Elemente zur Energieabsorption im Frontalcrash"; VDI Berichte 1007; 1992, 523–545
– LS-Dyna User's Manual, Livermore Software Technology Corporation
– Framework V project GRDI-1999-10861: "Manufacture, simulation and design technologies for carbon fibre reinforced modular automotive body structures"; 2000–2004
– Pickett A.K.: "Modelling of Crashworthy Composite Structures": presented at the COMPOSIT workshop "The Crashworthiness of Composite Transportation Structures"; Crowthorne; UK, October 2002
– Greve L., Pickett A.K.: "Crashworthiness simulation of automotive composite structures"; presented at the EuroPAM conference 2003; Mainz; October 16–17, 2003
– PAM-CRASH^TM PAM-SAFE^TM Version 2004 Manuals; Engineering System International
– Peter J., Sauer M., Reinhardt A., Thoma K.: "Simulation des Energieaufnahmeverhaltens von CFK-Strukturen unter Crashbelastung mittels adaptiver numerischer Methoden"; 14. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM); Wien; Austria; 2–4 July, 2003

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Crash- und/oder Energieabsorbtionsverhaltens eines Bauteils für ein Fahrzeug anzugeben. Es ist zudem wünschenswert, die Kosten für die Entwicklung eines Fahrzeuges zu senken.
Vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung des Crash- und/oder Energieabsorbtionsverhaltens eines Bauteils für ein Fahrzeug gelöst, wobei für das Bauteil oder einen Teil des Bauteils ein Finite-Elemente-Modell mit zumindest zwei an einem Knoten miteinander verbundenen finiten Elementen erstellt wird, wobei mittels des Finite-Elemente-Modells ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil und einem Objekt simuliert wird, bei dem das Objekt das Bauteil zumindest teilweise penetriert, und wobei ein finites Element (zumindest teilweise) eine Rückstellspannung auf das Finite-Elemente-Modell ausübt, während es von dem Objekt penetriert wird. Ein Bauteil im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Verbund-Bauteil bzw. ein Composite-Bauteil. Ein Bauteil für ein Fahrzeug kann im Sinne der Erfindung auch ein Fahrzeug oder eine Anordnung mehrerer Bauteile umfassen. Ein Fahrzeug ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Kraftfahrzeug. Ein Fahrzeug im Sinne der Erfindung kann jedoch auch ein Schienen-, ein Wasser und/oder ein Luftfahrzeug sein. Der Begriff des Fahrzeugs im Sinne der Erfindung ist insbesondere nicht auf Landfahrzeuge oder Fahrzeuge mit Rädern beschränkt. Ein Bauteil für ein Fahrzeug kann im Sinne der Erfindung ein Bauteil für die Transportindustrie sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückstellspannung nicht-linear. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückstellspannung abhängig von der Penetrationstiefe des Objektes bzw. dessen Modells in das finite Element (allgemein: σ_i = f(x_i)) und/oder abhängig von den relativen Auftreffwinkeln der sich penetrierenden Teile.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung übt ein auf einer dem Objekt abgewandten Seite des finiten Elementes angeordnetes weiteres finites Element zumindest teilweise eine weitere Rückstellspannung auf das Finite-Elemente-Modell aus, während das finite Element von dem Objekt bzw. von dessen Modell penetriert wird. Eine einem Objekt abgewandte Seite eines finiten Elementes ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine dem Objekt nicht zugewandte Seite des finiten Elementes. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die weitere Rückstellspannung nicht-linear. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die weitere Rückstellspannung abhängig von der Penetrationstiefe des Objektes bzw. dessen Modells in das finite Element. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Summe der Rückstellspannung und der weiteren Rückstellspannung (insbesondere im Innern des Finite-Elemente-Modells) im Wesentlichen konstant. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Betrag der Rückstellspannung abhängig von den relativen Auftreffwinkeln des Objekts und des Finite-Element Modells.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein finites Element dann aus dem Finite-Elemente-Modell entfernt, wenn es vollständig oder fast vollständig von dem Objekt penetriert worden ist.
Vorgenannte Aufgabe wird – insbesondere in Verbindung mit vorgenannten Merkmalen – zudem durch ein Verfahren zur Ermittlung des Crash- und/oder Energieabsorbtionsverhaltens eines Bauteils für ein Fahrzeug gelöst, wobei für das Bauteil oder einen Teil des Bauteils ein Finite-Elemente-Modell mit zumindest zwei an einem Knoten miteinander verbundenen finiten Elementen erstellt wird, wobei mittels des Finite-Elemente-Modells ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil und einem Objekt simuliert wird, bei dem das Objekt das Bauteil zumindest teilweise penetriert, und wobei ein finites Element zumindest teilweise eine Rückstellspannung auf das Finite-Elemente-Modell ausübt, während ein zwischen diesem finiten Element und dem Objekt bzw. dessen Modell angeordnetes finites Element von dem Objekt bzw. dessen Modell penetriert wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückstellspannung nicht-linear. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Rückstellspannung abhängig von der Penetrationstiefe des Objektes bzw. dessen Modells in das penetrierte finite Element.
In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein finites Element dann aus dem Finite-Elemente-Modell entfernt, wenn es vollständig oder fast vollständig von dem Objekt bzw. von dessen Modell penetriert worden ist.
Vorgenannte Aufgabe wird – insbesondere in Verbindung mit vorgenannten Merkmalen – zudem durch ein Verfahren zur Ermittlung des Crash- und/oder Energieabsaorbtionsverhaltens eines Bauteils für ein Fahrzeug gelöst, wobei für das Bauteil oder einen Teil des Bauteils ein Finite-Elemente-Modell mit zumindest zwei an einem Knoten miteinander verbundenen finiten Elementen erstellt wird, wobei mittels des Finite-Elemente-Modells ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil und einem Objekt simuliert wird, bei dem das Objekt das Bauteil zumindest teilweise penetriert, und wobei ein finites Element dann aus dem Finite-Elemente-Modell ent fernt wird, wenn es vollständig oder fast vollständig von dem Objekt bzw. von dessen Modell penetriert worden ist.
Die Kosten für die Entwicklung eines Fahrzeuges lassen sich insbesondere durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Fahrzeug senken, bei dem das Bauteil entworfen oder ausgelegt wird, wobei das Crash- und/oder Energieabsorbtionsverhalten des Bauteils gemäß einem eines oder mehrere der vorgenannten Merkmale umfassenden Verfahren ermittelt wird, und wobei das Bauteil in Abhängigkeit des derart ermittelten Crashverhaltens entweder verändert oder implementiert wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils für ein Fahrzeug bei einem Zusammenprall zwischen dem Bauteil und einem Objekt,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Finite-Elemente-Modells eines Bauteil während der Simulation eines Zusammenpralls zwischen dem Bauteil und einem Objekt,
3 die Simulation gemäß 2 zu einem späteren Zeitpunkt,
4 die Simulation gemäß 3 zu einem späteren Zeitpunkt,
5 eine Rückstellspannung aufgetragen über eine Penetrationstiefe eines Objektes und
6 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Fahrzeug und
7 eine exemplarische Darstellung der Rückstellspannung in Abhängigkeit der Relativwinkel von Bauteil und Objekt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines (Verbund-)Bauteils 1 für ein Fahrzeug bei einem Zusammenprall zwischen dem Bauteil 1 und einem Objekt 2. Durch den Zusammenprall zwischen dem Bauteil 1 und dem Objekt 2 kommt es in dem Bauteil 1 zu einer als Crushing Zone 3 bezeichneten Zerstörung, die ganz oder teilweise durch das Bauteil propagiert. Aufgrund der Komplexität der Zustände in der Crushing Zone 3 ist eine Simulation eines derartigen Aufpralls schwierig. Das nachfolgend beschriebene Verfahren löst dieses Problem.
2, 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Finite-Elemente-Modells M1 des Bauteils 1 während der fortschreitenden Simulation eines Zusammenpralls zwischen dem Bauteil 1 und einem Objekt 2, wobei Bezugszeichen M2 ein Modell des Objektes 2 bezeichnet. Das Finite-Elemente-Modell M1 umfasst Knoten 101, 112, 123, 134, 145, 156 sowie über die Kno ten, 112, 123, 134, 145 miteinander verbundene finite Elemente 10, 20, 30, 40, 50. Das Finite-Elemente-Modell M1 ist stark vereinfacht und dient im Wesentlichen lediglich der prinzipiellen Erläuterung der Erfindung. Reale Finite-Elemente-Modelle zur Simulation sind (erheblich) komplexer. Mit Bezugszeichen x ist die Richtung der Bewegung des Modells M2 des Objektes 2 und damit auch dessen Penetrationstiefe in das Bauteil 1 bzw. das Finite-Elemente-Modell M1 des Bauteils 1 bezeichnet. x₁₀₁ bezeichnet die Lage des Knotens 101 in Richtung x, x₁₁₂ bezeichnet die Lage des Knotens 112 in Richtung x, x₁₂₃ bezeichnet die Lage des Knotens 123 in Richtung x, x₁₃₄ bezeichnet die Lage des Knotens 134 in Richtung x, x₁₄₅ bezeichnet die Lage des Knotens 145 in Richtung x und x₁₅₆ bezeichnet die Lage des Knotens 156 in Richtung x.
In dem in 2 dargestellten Zustand nähert sich das Modell M2 des Objektes 2 dem Finite-Elemente-Modell M1 des Bauteils 1. In dem in 3 dargestellten Zustand hat das Modell M2 des Objektes 2 das Finite-Elemente-Modell M1 im Bereich des finiten Elementes 10 penetriert. In diesem Zustand ist vorgesehen, dass das finite Element 10 eine in 5 dargestellte nichtlineare Rückstellspannung σ₁₀ auf das Finite-Elemente-Modell M1 ausübt, wobei in 5 eine Rückstellspannung σ über die Penetrationstiefe x aufgetragen ist. σ_c bezeichnet einen experimentell bestimmbaren Wert für eine maximal vorgesehene Rückstellspannung σ. Der Betrag von σ_c kann in Abhängigkeit der Winkelverhältnisse, die zwischen den Penetrationsflächen des Bauteils 1 und des Objektes 2 bestehen, variieren (vgl. 7).
Es kann vorgesehen sein, dass ein finites Element dann aus dem Finite-Elemente-Modell M1 entfernt wird, wenn es – wie in 4 beispielhaft in Bezug auf das finite Element 10 dargestellt – vollständig oder fast vollständig von dem Objekt 2 bzw. dessen Model M2 penetriert worden ist.
Das unter Bezugnahme auf 2 bis 5 für ein frontales Zusammenprallen des Bauteils 1 und des Objektes 2 beschriebene Verfahren ist auch für ein schräges Zusammenprallen anwendbar, wobei die Rückstellspannung σ_c in Abhängigkeit der Winkelverhältnisse, die zwischen Bauteil 1 und Objekt 2 bestehen, aufgebracht wird.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils für ein Fahrzeug. Dabei wird das Bauteil in einem Schritt 70 entworfen bzw. ausgelegt. Dem Schritt 70 folgt ein Schritt 71, in dem das Crashverhalten des Bauteils ermittelt wird. Dazu wird ein dem Finite-Elemente-Modell M1 entsprechendes Finite-Elemente-Modell für das Bauteil erzeugt und das Crashverhalten des Bauteils mittels eines unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschriebenen Verfahrens simuliert. Anschließend wird im Rahmen einer Abfrage 72 an Hand der Er gebnisse der Simulation überprüft, ob das Crashverhalten des Bauteils verbessert werden soll. Soll das Crashverhalten des Bauteils verbessert werden, so folgt der Abfrage 72 der Schritt 70. Andernfalls folgt der Abfrage 72 ein Schritt 73, in dem das Bauteil implementiert wird.
7 zeigt eine exemplarische Darstellung der Rückstellspannung in Abhängigkeit der Relativwinkel von Bauteil und Objekt. Dabei bezeichnet Bezugzeichen 80 einen Referenzvektor, Bezugzeichen 81 eine dreieckige Bauteilfläche und Bezugzeichen 82 eine penetrierende Objektfläche. Bezugzeichen α_rel1 bezeichnet einen ersten Relativwinkel und Bezugzeichen α_rel2 einen zweiten Relativwinkel.

1: Bauteil
2: Objekt
3: Crushing Zone
10, 20, 30, 40,
50: finites Element
70, 71, 73: Schritt
72: Abfrage
80: Referenzvektor
81: dreieckige Bauteilfläche
82: penetrierende Objektfläche
101, 112, 123,
134, 145, 156: Knoten
M1: Modell eines Bauteils.
M2: Modell eines Objektes
x: Richtung der Bewegung eines Modells eines Objektes/Penetrationstiefe
x₁₀₁, x₁₁₂, x₁₂₃, x₁₃₄, x₁₄₅, x₁₅₆: Lage eines Knotens
α_rel1: erster Relativwinkel
a_rel2: zweiter Relativwinkel
σ, σ₁₀, σ₂₀,: Rückstellspannung
σ_c: maximale Rückstellspannung

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Crashverhaltens eines Bauteils (1) für ein Fahrzeug, wobei für das Bauteil (1) oder einen Teil des Bauteils (1) ein Finite-Elemente-Modell (M1) mit zumindest zwei an einem Knoten (112) miteinander verbundenen finiten Elementen (10, 20) erstellt wird, und wobei mittels des Finite-Elemente-Modells (M1) ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil (1) und einem Objekt (2) simuliert wird, bei dem das Objekt (2) das Bauteil (1) zumindest teilweise penetriert, dadurch gekennzeichnet, dass ein finites Element (10) eine Rückstellspannung (σ₁₀) auf das Finite-Elemente-Modell (M1) ausübt, während es von dem Objekt (2) penetriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellspannung (σ₁₀) nicht-linear und abhängig von den Winkelverhältnissen der penetrierenden Bauteile und Objekte ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellspannung (σ₁₀) abhängig von der Penetrationstiefe des Objektes (2) in das finite Element (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Rückstellspannungen der in Folge beaufschlagten finiten Elemente (20, 30, 40, 50) analog zur Rückstellspannung (σ₁₀) nicht-linear sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Bauteil wirkende Rückstellspannung (σ_c) im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein finites Element (10) dann aus dem Finite-Elemente-Modell (M1) entfernt wird, wenn es vollständig oder fast vollständig von dem Objekt (2) penetriert worden ist.
Verfahren zur Ermittlung des Crash- oder Energieabsorbtionsverhaltens eines Bauteils (1) für ein Fahrzeug, wobei für das Bauteil (1) oder einen Teil des Bauteils (1) ein Finite-Elemente-Modell (M1) mit zumindest zwei an einem Knoten (112) miteinander verbundenen finiten Elementen (10, 20) erstellt wird, und wobei mittels des Finite-Elemente-Modells (M1) ein Zusammenprall zwischen dem Bauteil (1) und einem Objekt (2) simuliert wird, bei dem das Objekt (2) das Bauteil (1) zumindest teilweise penetriert, dadurch gekennzeichnet, dass ein finites Element (10) dann aus dem Finite-Elemente-Modell (M1) entfernt wird, wenn es vollständig oder fast vollständig von dem Objekt (2) penetriert worden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) für ein Fahrzeug, wobei das Bauteil (1) entworfen oder ausgelegt wird, wobei das Crash- oder Energieabsorbtionsverhalten des Bauteils (1) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelt wird, und wobei das Bauteil (1) in Abhängigkeit des derart ermittelten Crashverhaltens entweder verändert oder implementiert wird.