Simulationssoftware Crashs und Umformprozesse im Fahrzeugbau simulieren

Autor / Redakteur: Martin Küssner / Dietmar Kuhn

Automobilhersteller stehen vor der Herausforderung, dass sie mehr Fahrzeugmodelle in noch kürzerer Zeit als jemals zuvor bei insgesamt reduzierten Kosten zur Marktreife bringen müssen. Dies ist ohne den weiteren Ausbau der virtuellen Produktentwicklung und Simulation nicht denkbar. Ein wichtiges Erfolgskriterium stellt die Prognosegüte dar.

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Crashsimulation am Gesamtfahrzeug. Automobilentwicklung geht schneller und kostengünstiger mit Simulationswerkzeugen. Bild: Abaqus
Crashsimulation am Gesamtfahrzeug. Automobilentwicklung geht schneller und kostengünstiger mit Simulationswerkzeugen. Bild: Abaqus
( Archiv: Vogel Business Media )

Die fortschrittlichsten Automobilhersteller sind mittlerweile so weit, dass sie sich während der Entwicklung weitgehend auf die Simulation verlassen und auf Hardware-Prototypen verzichten. Sie nutzen darüber hinaus auch keine physikalischen Testergebnisse mehr, um Finite-Elemente-Crashmodelle in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zu kalibrieren.

Prognosegüte der Simulationssoftware entscheidend

Der erste physikalische Crashtest wird mit einem Vorserienmodell durchgeführt, das bereits mit den Serienwerkzeugen gefertigt wurde. Dies stellt eine enorme Ersparnis dar, denn einzeln handgefertigte Prototypenmodelle können durchaus Kosten im Millionenbereich verursachen. Konstruktionsänderungen werden zu diesem späten Zeitpunkt sehr teuer, so dass der Erfolg dieser sehr starken Digitalisierung des Entwicklungsprozesses mit der Prognosegüte der Simulationssoftware steht und fällt (Bild 1).

Bildergalerie

Ein namhafter Autohersteller hat diese grundlegenden Änderungen im Entwicklungsprozess vollzogen und führte aus diesem Grund im Jahr 2009 einen Benchmark für Crash Solver durch. Es ging darum, die Qualität der Simulationsergebnisse detailliert durch den direkten Vergleich mit getesteten Hardware-Prototypen zu evaluieren.

Das Rennen machte schließlich Abaqus/Explicit, ein Produkt aus der Simulia-Produktlinie von PLM-Anbieter Dassault Systèmes, weil sich der Löser mit Blick auf die Prognosegüte und Zuverlässigkeit als der beste erwies. Dies betraf insbesondere die Abbildung der Materialeigenschaften in Hinblick auf Schädigung und Versagen sowie auch die Umsetzung der Schweißpunkte in die Simulation. Darüber hinaus bewertete der Autohersteller auch das starke Engagement des Software-Anbieters für die Methodenentwicklung sehr positiv.

Vorhersagen der Materialeigenschaft bringt Einsparungen in Millionenhöhe

Der Abaqus-Löser ermöglichte genaue Vorhersagen gerade der so wichtigen lokalen Materialeigenschaften bei allen relevanten Modellen – von den Komponenten bis zum Komplettfahrzeug. Für den Premiumhersteller bedeutet dies Einsparungen in Millionenhöhe sowie eine Verkürzung der Entwicklungszeit um mehrere Monate (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Ein anderes erfolgskritisches Entscheidungskriterium ist die Durchgängigkeit der einzusetzenden Simulationssoftware. Viele Unternehmen entscheiden sich deswegen für Abaqus, weil es der einzige Löser ist, der einen vollwertigen nichtlinearen impliziten und expliziten Solver „aus einem Guss“ hat (Bild 3).

Simulationssoftware berchnet Blechumformung und Rückfederung

Implizite Analysen umfassen etwa allgemeine Festigkeit, Eigenfrequenzanalysen und NVH (Noise, Vibration, Harshness) sowie thermische Analysen. Der explizite Solver wird hauptsächlich bei der Umformung und bei Crashanalysen eingesetzt.

So lässt sich zum Beispiel die Blechumformung in Abaqus/Explicit und die Berechnung der Rückfederung in Abaqus/Standard rechnen, wobei eine überlappende Element- und Materialbibliothek zwischen beiden Lösern genutzt werden kann. Abaqus rechnet mit dem gleichen Netz, denselben Element- und Materialformulierungen ohne jeden Genauigkeitsverlust weiter. Das bezüglich der Umformung und Rückfederung berechnete Blech kann virtuell verbaut und mit der Baugruppe kann dann eine Vibrationsanalyse durchgeführt werden.

Der Clou: Das genannte Blech bringt sein „Materialgedächtnis“ aus der Umformung – etwa Eigenspannungen, Schalendickenänderungen und plastische Dehnungen – in die neue Vibrationsanalyse mit ein, was die Prognosegüte deutlich verbessert.

Materialtrends fordern Simulationssoftware bei Prognosegüte und Zuverlässigkeit heraus

Doch gerade die Prognosegüte und Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse werden durch Materialtrends im Automobilbau herausgefordert. Hierzu zählt die zunehmende Verwendung von hochfesten Stählen, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren.

Denn hochfeste Stähle besitzen andere Versagensmechanismen, die es zu berücksichtigen gilt: während Stähle niederer Qualität sich eher plastisch-duktil verformen, tendiert ein hochfester Stahl dazu zu reißen. Wird ein hochfester Stahl zum Beispiel für die B-Säule verbaut, könnte dies im Crashfall dramatische Konsequenzen für die Fahrgastzelle und damit für die Insassen nach sich ziehen.

Simulationssoftware muss Schädigung bis zum Risswachstum abbilden können

Hier ist also der Anbieter der Simulationssoftware gefordert, Lösungen zu entwickeln, die beispielsweise eine Schädigung bis zum Risswachstum innerhalb des Bauteils abbilden können. Zum Beispiel gibt es in Abaqus verschiedene Ansätze der Schädigungsinitiierung und des Schädigungswachstums.

Letztlich bleibt aber ein wichtiger Teil der Verantwortung beim Kunden: Zwar bieten Hersteller wie Dassault Systèmes für Abaqus zahlreiche Seminare etwa zur Metallplastizität an, um die Materialgesetze zu erklären und Materialparameter zu ermitteln. Doch deren Kalibrierung für die speziellen Materialcharakteristika bleibt den Anwendern überlassen.

Tailored Blanks stellen Simulationssoftware ebenfalls vor Probleme

Tailored Blanks: Eine weitere Herausforderung für das Virtual Prototyping in der Autoindustrie stellt der Trend zu Tailored Blanks dar. Hierunter versteht man maßgeschneiderte, vorgefertigte Blechhalbzeuge mit unterschiedlicher Materialgüte und unterschiedlicher Materialstärke, die anschließend 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.

Abaqus weist deshalb geeignete Modellierungsmethoden auch für die Umformsimulation solcher in sich heterogener Blechbauteile auf, zum Beispiel durch spezielle Kontinuumsschalenelemente oder geeignete Delaminationsmechanismen.

Simulationssoftware muss Umgang mti Faserverbundwerkstoffen abbilden

Faserverbundwerkstoffe: Heckklappen und Türen, aber auch Fahrwerksteile wie etwa Querlenker werden zunehmend aus Verbundwerkstoff-Bauteilen hergestellt. Viele OEM planen, Autos auf den Markt zu bringen, deren Karosserie in wesentlichen Teilen aus Composite-Bauteilen zusammengesetzt sein wird. Dies birgt riesige Konsequenzen auch für die Simulation, denn Verbundwerkstoffe sind anisotrope Werkstoffe (Bild 4).

Das bedeutet: Ihre Belastbarkeit hängt von der Richtung ab, in der die Fasern ausgerichtet sind. Anders gesagt: Composite-Bauteile sind idealerweise so zu gestalten, dass die Fasern der Verbundlagen parallel zum Kraftfluss liegen, der auf das Teil ausgeübt wird, da sie in dieser Belastungsrichtung die größte Festigkeit aufweisen.

Simulationssoftware muss möglichst genaue Versagenprognosen von Composites-Bauteilen liefern

So vergrößert sich bei Composites der Gestaltungsspielraum, weil die Anzahl und die Eigenschaften der verschiedenen Lagen simuliert und optimiert werden können. Hier bestehen große Herausforderungen an die Simulation, möglichst genaue Prognosen der Versagensformen von Composite-Bauteilen zu leisten und unterschiedliche Lagenstrukturen realistisch zu beurteilen. Abaqus bietet in diesem Feld nicht nur eine durchgängige Prozesskette mit Catia, sondern auch geeignete Pre- und Postprocessingfunktionalitäten zum Aufbau und zur Beurteilung Faserverbundstrukturen.

Doch ob es sich nun um eine Blech- oder um eine Composite-Simulation handelt – die Fähigkeit, lokale Effekte wie Material- und Verbindungsfehler wirklichkeitsgetreu vorherzusagen, sollte bei den Unternehmen noch viel mehr Aufmerksamkeit genießen. Nur eine Simulationssoftware, 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 das Versprechen virtueller Produktentwicklung nach gesteigerter Kosten- und Zeiteffizienz erfüllen.

Dr.-Ing. Martin Küssner, Geschäftsführer Dassault Systèmes Simulia GmbH, 52062 Aachen

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