Mit Crashsimulation zu sicheren Bauteilen

Die Sicherheit von Fahrzeuginsassen hat oberste Priorität. Deshalb müssen Züge oder Autos, bevor sie auf Schiene oder Straße kommen, auf ihre Sicherheit und Stabilität hin geprüft werden. Doch Crashtests sind aufwändig und teuer und können erst nach Fertigung von Prototypen durchgeführt werden. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM stellen auf der Hannover-Messe (7. bis 12. April)innovative Methoden vor, mit der sich die Verformung und das Versagen von Bauteilen aus verschiedensten Materialien zuverlässig und schnell berechnen lässt.

Mobiltelefone oder Rasierer, komplette Autos oder sogar Züge – viele Konsumgüter müssen aufgrund von Herstellervorgaben oder gesetzlichen Bestimmungen ihre Crashsicherheit nachweisen. Zwei Mechanismen spielen hierbei eine Rolle: Zum einen die Verformung, die in der Knautschzone von Fahrzeugen wichtig ist. Und zum anderen das Versagen, also der Bruch und damit die Zerstörung der Bauteile. Um die Sicherheit von Fahrzeuginsassen zu gewährleisten, sind während des Entwicklungsprozesses eines Automobils immer wieder Crashtests notwendig. Dabei werden zahlreiche Fahrzeuge zerstört – vor allem teure und handgefertigte Prototypen. Ziel der Fraunhofer-Forscher ist es, diese Versuche möglichst vollständig durch Computerberechnungen zu ersetzen.

„Das Verformungsverhalten von Stählen kann man mittlerweile gut voraussagen“, weiß Dong-Zhi Sun vom IWM. „Beim Versagen von modernen Werkstoffen ist man derzeit allerdings noch nicht ganz so weit. Ein wesentliches Problem ist, dass die existierenden Modelle Schädigungsmechanismen wie Porenbildung oder Rissfortschritt im Material nicht abbilden können und relevante Werkstoffdaten fehlen“, sagt der Experte, „deshalb ist es sehr schwer zu modellieren, wie Schweißverbindungen oder neue Leichtbauwerkstoffe wie Magnesium versagen.“

Hier liegt die Kernkompetenz der Experten vom IWM. Die Freiburger Wissenschaftler haben fortschrittliche Werkstoffmodelle für verschiedene Stoffe entwickelt. Sie basieren auf der mathematischen Beschreibung des jeweiligen Werkstoffverhaltens. Die notwendigen Kennwerte werden hierbei mit Versuchen an kleinen Proben ermittelt. Ein einfacher Zugversuch beispielsweise zeigt, ab welcher Belastung sich ein Werkstoff plastisch verformt und versagt. In zyklischen Versuchen wird geprüft, ob ein Werkstoff bei wiederholter Belastung weicher oder fester wird. Solche Tests müssen für verschiedene Temperaturen bis zu 1000°C durchgeführt werden.

Die Werkstoffmodelle der IWM-Forscher sind Grundlage für Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode. Hierbei wird ein komplexes Bauteil mathematisch in Tausende geometrisch einfache Vierecke oder Würfel unterteilt. Aufgrund seiner Größe und des zugrunde liegenden Materialmodells lässt sich das mechanische Verhalten jedes einzelnen Teilchens unter Belastung schnell bestimmen. So lässt sich dann das Verhalten der kompletten Struktur abschätzen. „Komplexe Vorgänge wie Bruch oder Risse unter Belastung verlangen komplexe Werkstoffmodelle, wie sie in der Crashsimulation eingesetzt werden. Auf dieser Basis lässt sich das Verhalten von Bauteilen im Falle eines Aufpralls konkret vorhersagen“, erklärt Gregor Schmich vom IWM. „Mit unseren Berechnungen kommen wir der Realität sehr nahe.“ Doch die neue Software hilft nicht nur, teure Crashtests zu vermeiden. „Wir arbeiten daran, die Crashsimulation mit der Prozesssimulation, etwa beim Gießen oder Umformen, zu verknüpfen, um die Herstellungsgeschichte des Werkstoffs und sein dadurch verändertes Verhalten mit berücksichtigen zu können. Verkürzung der Entwicklungszeiten und weitestgehende Einsparung von realen Tests ist hierbei das Ziel.“

Das Interesse der Automobilindustrie an der neuen Technik ist groß: Neben BMW, VW, Opel und DaimlerChrysler gehört auch ThyssenKrupp Stahl TKS oder der Zughersteller Bombardier mit zu den Projektpartnern der Freiburger Wissenschaftler.

Auf der Hannover-Messe finden Sie das Thema Crashsimulation am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Simulation in Halle 6, Stand G28.

Ansprechpartner:

Dr. Dong-Zhi Sun
Telefon 0761 – 5142-193
Fax 0761 – 5142-110
E-mail: dongzhi.sun@iwm.fraunhofer.de

Silke Sommer
Telefon 0761 – 5142-266
Fax 0761 – 5142-110
E-mail: silke.sommer@iwm.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Wöhlerstraße 11
79108 Freiburg