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Umformprozesse im virtuellen Crashtest

Simulation im Fahrzeugbau

Umformprozesse im virtuellen Crashtest

Automobilhersteller müssen immer mehr Fahrzeugmodelle in kürzerer Zeit bei insgesamt reduzierten Kosten zur Marktreife bringen. Dies ist ohne Ausbau der virtuellen Produktentwicklung und Simulation in den meisten Unternehmen nicht denkbar. Ein wichtiges Erfolgskriterium, um weitgehend auf Hardware-Prototypen verzichten zu können, ist die Prognosegüte der Simulationssoftware.

Bild: Dassault Systèmes

Einige Automobilhersteller verlassen sich mittlerweile während der Entwicklung von neuen Fahrzeugen und Fahrzeug-Varianten weitestgehend auf Simulationen und verzichten auf Hardware-Prototypen. Die Unternehmen nutzen darüber hinaus auch in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses keine physikalischen Testergebnisse mehr, um Finite-Elemente-Crash-Modelle zu kalibrieren. Der erste physikalische Crashtest wird mit einem Vorserienmodell durchgeführt, das bereits mit den Serienwerkzeugen gefertigt wurde. Das stellt eine enorme Ersparnis für den Entwicklungsprozess dar, denn einzeln handgefertigte Prototypenmodelle können durchaus Kosten im Millionenbereich verursachen.

Benchmark-Kriterien für die Simulationssoftware

Die Kehrseite der Medaille: Konstruktionsänderungen werden zu diesem späten Zeitpunkt sehr teuer. Der finanzielle Erfolg einer starken Digitalisierung des Entwicklungsprozesses steht und fällt daher mit der Prognosegüte der Simulationssoftware. Ein namhafter Autohersteller hat diese grundlegenden Änderungen im Entwicklungsprozess vollzogen und führte aus diesem Grund im Jahr 2009 einen Benchmark für Software zur Kollisionssimulation durch. Bei der Auswahl der ‚Crash Solver‘-Programme ging es darum, die Qualität der Simulationsergebnisse detailliert durch den direkten Vergleich mit Hardware-Prototypen zu evaluieren.

Das Rennen machte schließlich Abaqus/Explicit, ein Produkt aus der Simulia-Produktlinie von Dassault Systèmes. Das Unternehmen bietet Software unter anderem für Konstruktion, Simulation und Zusammenarbeit im Rahmen von Product Lifecycle Management-Systemen (PLM) an. Die Simulationslösung überzeugte vor allem im Hinblick auf Prognosegüte und Zuverlässigkeit, insbesondere bei der Abbildung der Materialeigenschaften in Hinblick auf Schädigung und Versagen sowie die Umsetzung der Schweißpunkte in die Simulation. Darüber hinaus bewertete der Autohersteller auch das starke Engagement des Software-Anbieters für die Methodenentwicklung sehr positiv. Das Software-System gestattet genaue Vorhersagen gerade der für das Unternehmen wichtigen lokalen Materialeigenschaften bei allen relevanten Modellen – von den Komponenten bis zum Komplettfahrzeug. Für den Premiumhersteller bedeutet dies neben Einsparungen in Millionenhöhe für die Prototypen-Erstellung auch eine Verkürzung der Entwicklungszeit um mehrere Monate.

Unterschiedliche Disziplinen mit einer Lösung abdecken

Ein anderes erfolgskritisches Entscheidungskriterium für den Einsatz von Simulationslösungen ist die Durchgängigkeit des einzusetzenden Software-Systems. Dazu zählt unter anderem der Einsatz einer vollwertigen Lösung, die nichtlineare Solver sowohl für implizite als auch explizite Analysen ‚aus einem Guss‘ anbietet. Implizite Simulationsverfahren umfassen neben allgemeiner Festigkeit, Eigenfrequenzanalysen sowie der Simulation von Geräusch, Vibration und Rauheit (Noise, Vibration, Harshness, NVH) auch thermische Analysen. Der explizite Solver wird hingegen hauptsächlich bei der Umformung und bei Crashanalysen eingesetzt. So lässt sich zum Beispiel die Blechumformung in dem Löser Abaqus/Explicit und die Berechnung der Rückfederung über die Software Abaqus/Standard rechnen, wobei eine überlappende Element- und Materialbibliothek zwischen beiden Programmen genutzt werden kann.

Das Gesamtsystem rechnet dadurch mit dem gleichen Netz, denselben Element- und Materialformulierungen ohne jeden Genauigkeitsverlust weiter. Das bezüglich der Umformung und Rückfederung berechnete Blech kann dann virtuell verbaut werden, anschließend lässt sich mit der Baugruppe eine Vibrationsanalyse durchführen. Durch die Vernetzung innerhalb des Systems bringt das virtuelle Blech sein ‚Materialgedächtnis‘ aus der Umformung in die neue Vibrationsanalyse mit ein. Dazu zählen unter anderem Eigenspannungen, Schalendickenänderungen und plastische Dehnungen. Dieses durchgehende Datenhaltung erleichtert den Simulationsvorgang und erhöht die Prognosegüte deutlich.

Hochfeste Stähle: Neue Materialien im Automobilbau

Doch gerade die Prognosegüte und Zuverlässigkeit von Simulationen im Automobilbau werden durch aktuelle Materialtrends herausgefordert. Hierzu zählt auch die zunehmende Verwendung von hochfesten Stählen, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Denn hochfeste Stähle besitzen andere Versagensmechanismen als herkömmliche Werkstoffe, die es auch in der Simulation zu berücksichtigen gilt: Während Stähle niederer Qualität sich bei Belastung eher plastisch verformen, tendiert ein hochfester Stahl dazu zu reißen. Wird ein solcher Werkstoff zum Beispiel für die B-Säule eines Fahrzeuges verbaut, könnte dies im Crashfall dramatische Konsequenzen für Fahrgastzelle und Insassen nach sich ziehen.

Hier ist der Anbieter der Simulationssoftware gefordert, parallel zum technischen Fortschritt Materialgesetze zu entwickeln, die beispielsweise eine Schädigung von der ersten Verformung bis zum Risswachstum innerhalb des Bauteils abbilden können. Dazu bietet zum Beispiel Abaqus verschiedene Ansätze der Schädigungsinitiierung und des Schädigungswachstums an. Letztlich bleibt aber ein wichtiger Teil der Verantwortung beim Entwicklungsteam des Unternehmens: Zwar bieten Software-Hersteller zahlreiche Seminare etwa zur Metallplastizität an, um die Materialgesetze zu erklären und die Materialparameter zu ermitteln. Doch deren Kalibrierung an die speziellen Materialcharakteristika des Fertigungsprozesses bleibt den Anwendern der Simulationssoftware überlassen.

Tailored Blanks: Maßgeschneiderte Blechhalbzeuge

Eine weitere Herausforderung für das Virtual Prototyping in der Autoindustrie stellt der Trend zu so genannten Tailored Blanks dar. Der Begriff bezeichnet maßgeschneiderte, vorgefertigte Blechhalbzeuge mit unterschiedlicher Materialgüte und unterschiedlicher Materialstärke, die im Laufe des Produktionsprozesses zum Beispiel durch Tiefziehen umgeformt werden. Im fertigen Bauteil sind dann nur diejenigen Bereiche mit einem dickenmäßig verstärkten oder hochfesten Material belegt, die in der Praxis auch hoch belastet werden. Hierdurch lassen sich Gewicht und Fertigungskosten einsparen; auf zusätzliche Verstärkungsteile kann verzichtet werden. Die Software weist deshalb geeignete Modellierungsmethoden auch für die Umformsimulation solcher in sich heterogener Blechbauteile auf, zum Beispiel durch spezielle Kontinuumsschalenelemente oder geeignete Delaminationsmechanismen.

Zunehmende Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen

Viele Erstausrüster (Original Equipment Manufacturers, OEMs) planen derzeit Autos auf den Markt zu bringen, deren Karosserie in wesentlichen Teilen aus Komposit-Bauteilen zusammengesetzt sein wird. Entsprechend werden Heckklappen und Türen, aber auch Fahrwerksteile wie Querlenker zunehmend aus Verbundwerkstoff-Bauteilen hergestellt. Diese Entwicklung bringt umfangreiche Konsequenzen auch für die Simulationsprozesse mit sich, denn Verbundwerkstoffe sind anisotrope Werkstoffe. Das bedeutet, dass die Belastbarkeit des Materials von der Richtung abhängt, in der die Fasern ausgerichtet sind. Anders gesagt gilt es daher Komposit-Bauteile idealerweise so zu gestalten, dass die Fasern der Verbundlagen parallel zum Kraftfluss liegen, der auf das Teil ausgeübt wird. Denn nur in in dieser Belastungsrichtung weist der Werkstoff und damit die späteren Teile die größte Festigkeit auf.

So vergrößert sich bei den auch Composites genannten Materialien der Gestaltungsspielraum der Entwicklungsabteilung, weil Anzahl und Eigenschaften der verschiedenen Lagen simuliert und optimiert werden können. Im Gegenzug bestehen große Herausforderungen an die Simulation, möglichst genaue Prognosen der Versagensformen von Composite-Bauteilen zu leisten und unterschiedliche Lagenstrukturen realistisch zu beurteilen. Neben einer durchgängigen Prozesskette zur CAD-Lösung sind dazu geeignete Pre- und Postprocessingfunktionalitäten zum Aufbau und der Beurteilung von Faserverbundstrukturen unabdingbar.

Prognosefähigkeit der Simulationssoftware

Doch ob es sich nun um Blech- oder Composite-Simulation handelt – die Fähigkeit, lokale Effekte wie Material- und Verbindungsfehler wirklichkeitsgetreu vorherzusagen, hat bei Unternehmen viel mehr Aufmerksamkeit verdient. Nur eine Software, die in der Lage ist, die lokalen Gegebenheiten präzise im globalen Simulationsmodell zu repräsentieren, wird in den Ergebnissen eine sehr hohe Prognosegüte erreichen und damit helfen, das Versprechen virtueller Produktentwicklung nach gesteigerter Kosten- und Zeiteffizienz erfüllen.