Charakterisierung und Modellierung einer Fahrzeugfelge

Charakterisierung und Modellierung einer Fahrzeugfelge unter crashrelevanten Bedingungen

© Foto Fraunhofer EMI

Abbildung 1: Modellierung der Felge durch einen Reverse-Engineering-Prozess.

Herausforderung Crashsimulation

-> Link zur Veröffentlichung 

Für das Crashverhalten eines Fahrzeugs bei einem Frontalcrash, insbesondere bei niedrigem Überdeckungsgrad, spielen die Felgen eine wichtige Rolle, weil hier das Rad in die Fahrgastzelle hineingedrückt werden kann.

Crashsimulationen ermöglichen es, die Anzahl aufwendiger und kostenintensiver Crashtests zu reduzieren. Dazu müssen für die einzelnen Komponenten des Fahrzeugs valide Simulationsmodelle erstellt werden.

Am Fraunhofer EMI wurde deshalb in Zusammenarbeit mit dem KIT im Rahmen einer Bachelorarbeit eine Fahrzeugfelge experimentell charakterisiert und numerisch modelliert, um eine zuverlässige Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens der Felge unter crashrelevanten Belastungen zu ermöglichen und dieses in einer Crashsimulation anzuwenden.

© Foto Fraunhofer EMI

Abbildung 2: Identifizierung der Bestandteile der Felge.

Werkstoffmodell

Im beschriebenen Projekt wurde eine 16-Zoll-Aluminiumguss-Felge ausgewählt. Eine genaue Analyse der mechanischen Eigenschaften des Felgenmaterials zeigte eine Positionsabhängigkeit der gemessenen Materialparameter. Im Wesentlichen wurden zwei Gründe für die Heterogenität des Bauteils gefunden:

  • Bei der Fertigung eines Gussbauteils entstehen während des Abkühlprozesses unterschiedliche Materialstrukturen und Festigkeiten.
  • Es bilden sich dabei Hohlräume aus, sogenannte Lunker.

Diese Erkenntnisse konnten mikroskopisch durch Gefügeschliffbilder und makroskopisch in den Proben bestätigt werden. Für die Charakterisierungsversuche wurden deshalb Proben aus Speichen, Band und Nabe entnommen. In allen drei Bereichen wurden unterschiedliche Materialeigenschaften gemessen.

Außerdem haben Experimente gezeigt, dass sich insbesondere das Versagensverhalten unter Zug und Druck voneinander unterscheiden, denn es wurde kein Versagen unter Druckbelastung festgestellt.

Abbildung 3: Versuchsaufbau an der Komponentencrashanlage des Fraunhofer EMI in Efringen-Kirchen.

Test an der Komponentencrashanlage

Ein Bauteilversuch an der Komponentencrashanlage des Fraunhofer EMI diente der Überprüfung des numerischen Modells. Der Versuchsaufbau war so konstruiert, dass die Felge maximalen Freiraum für die Deformation hatte. Beim Versuch wurden sowohl die über den Impaktor auf die Felge einwirkende Kraft als auch der Impaktorweg gemessen. Gleichzeitig wurde das Bauteil mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt.

© Foto Fraunhofer EMI

Abbildung 4: Vergleich der Felge nach dem Crash, Versuch (links), Simulation (rechts).

Simulation und Validierung des Modells

Der Versuch und die Simulation zeigen eine gute Übereinstimmung. Die Herausforderung, reproduzierbare Versuchsergebnisse zu generieren, wurde erfolgreich gemeistert.

Diese Forschungsarbeit hebt wesentliche Aspekte der Modellierung von massiv gegossenen Bauteilen hervor:

  • Die während der Materialuntersuchung festgestellten Unterschiede des Verformungsverhaltens der unterschiedlichen Proben aus Felgenband, Nabe und Speiche wurden in die Berechnungen aufgenommen.

  • Eine weitere Erkenntnis ist dabei, dass der Belastungszustand hinsichtlich der Mehrachsigkeit berücksichtigt werden muss, insbesondere, was das Versagen unter Zug und Druck betrifft.  Zu diesem Zweck wurde das Schädigungsmodell GISSMO in LS-Dyna verwendet.

  • Da unterschiedliche Netzgrößen für die Materialmodellierung (0,5 Millimeter) und für die Bauteilsimulation (5 Millimeter) verwendet wurden, wurde die Netzgrößenabhängigkeit durch eine sogenannte Regularisationskurve behandelt.