Überblick

In diesem Projekt modellieren und analysieren wir das Kompressionsverhalten eines dünnwandigen Aluminium-Energieabsorbers unter axialer Druckbelastung. Ziel ist die Bewertung seines Verformungsverhaltens und seiner Energieabsorptionsfähigkeit, die Schlüsselfaktoren für die Crashsicherheit darstellen.

Energieabsorber, auch Crashboxen genannt, spielen eine entscheidende Rolle in Fahrzeugen. Bei einem Unfall absorbieren sie den Großteil der Aufprallenergie, schützen die Karosserie vor Beschädigungen und gewährleisten vor allem die Sicherheit der Fahrzeuginsassen. Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für eine Crashbox in einer Fahrzeugkarosserie.

Modellierung in Abaqus

Teile und Montage

Wir modellieren den Energieabsorber als dünnwandigen Kasten mit einem quadratischen Querschnitt von 80 × 80 mm und einer Höhe von 400 mm. Die Struktur wird als Schalenelement mittels Schalenextrusion dargestellt.

Zwei separate, starre, ebene Schalen mit den Abmessungen 160 × 160 mm stellen die starren Platten dar. Die Simulation platziert den Kasten zwischen diesen Platten und simuliert eine Stauchung, indem die obere Platte nach unten auf die Struktur bewegt wird.

Hinweis: In Abaqus benötigen starre Bauteile einen Referenzpunkt zur Berechnung der Reaktionskräfte. Dieser Referenzpunkt muss im Bauteilmodul und nicht in der Baugruppe definiert werden. Da wir hier den expliziten Löser verwenden (siehe unten), muss den Referenzpunkten ein Trägheitsmoment zugewiesen werden. Der genaue Wert des Trägheitsmoments hat keinen Einfluss auf die Reaktionskräfte.

Material und Abschnitt

Wir verwenden Aluminium 2011 für den Energieabsorber mit folgenden Schlüsseleigenschaften:

• Elastizitätsmodul: 71,7 GPa

• Poissonzahl: 0,333

• Fließgrenze: 169 MPa

• Dichte: 2700 kg/m³

Das plastische Verhalten wird als linear modelliert.

Die Schalendicke ist auf 2 mm eingestellt, der Versatz befindet sich in der Mittelfläche.

Dynamischer expliziter Schritt

Für diese Analyse wählen wir den dynamischen expliziten Löser. Im Gegensatz zum impliziten Löser berücksichtigt der explizite Löser Trägheitskräfte und verwendet zudem eine andere Methode zur Lösung der Matrixgleichungen. Der explizite Löser berechnet die Reaktion anhand vieler kleiner, diskreter Zeitinkremente und schreitet schrittweise fort, bis die Simulation abgeschlossen ist. Ingenieure verwenden explizite Löser typischerweise zur Simulation großer Verformungen, komplexer Kontaktinteraktionen, hoher Belastungsgeschwindigkeiten oder Materialversagen.

Aufgrund der vorhandenen Trägheitskräfte ist es wichtig, die Dichte im Materialmodell zu definieren und auch starren Teilen Trägheit zuzuweisen.

Es ist außerdem wichtig zu erwähnen, dass Abaqus das stabile Zeitinkrement anhand der Größe des kleinsten Elements und der Wellengeschwindigkeit (die von den Materialeigenschaften abhängt) berechnet. Je kleiner das Zeitinkrement, desto länger dauert die Simulation.

Wir wenden die Massenskalierung an, indem wir die Elementmasse künstlich erhöhen, entweder durch einen direkten Massenskalierungsfaktor oder durch die Definition eines Zielzeitschritts. Hier verwenden wir einen Zielzeitschritt von 1E-6s

Randbedingungen und Wechselwirkung

Wir fixierten den Kasten am Boden. Wir brachten eine Verschiebung von −300 mm an der oberen Platte an (75%ige Kompression der Struktur) in y -Richtung, während wir alle anderen Freiheitsgrade fixierten, und wir fixierten die untere Platte vollständig.

Hinweis: Bei der Angabe einer Verschiebung in einer expliziten Simulation muss die Amplitude der Verschiebungszunahme definiert werden. In diesem Projekt verwenden wir eine lineare Zunahme der Verschiebung und nutzen daher tabellarische Daten.

Für die Interaktion wurde der allgemeine Kontakt verwendet.

Hinsichtlich der Eigenschaften wurde das tangentiale Verhalten mit einem Reibungskoeffizienten von 0,4 und das normale Verhalten mit hartem Kontakt berücksichtigt.

Netz

Es wurde eine Seedgröße von 5 in Betracht gezogen und S4R-Elemente wurden verwendet.

S4R-Elemente sind 4-Knoten-Schalenelemente mit reduzierter Integration.

Ergebnisse und Interpretation

Die Abbildung unten zeigt den zerdrückten Karton nach der Verformung

In der folgenden Animation können wir sehen, wie sich die Box verformt, wenn die obere Platte sie zusammendrückt.

Aus den Feldmessdaten lassen sich Kräfte und Verschiebungen ableiten. Die Kraft-Verschiebungs-Kurve wurde in Excel dargestellt.

Beim Zerkleinern erreicht der Energieabsorber zunächst eine maximale Kraft, bevor er nachgibt. Anschließend nimmt die Kraft leicht ab und schwankt um einen Mittelwert, wodurch der Plateau-Bereich der Kraft-Weg-Kurve definiert wird.

Jeder Kraftabfall im Plateau-Bereich entspricht einer Knickung der Säule während der Zerkleinerung (wie in der Animation zu sehen).

Leistungsbeurteilung

Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Energieabsorbern werden verschiedene Kennzahlen herangezogen. Zwei wichtige Kennzahlen sind die Druckkrafteffizienz und die spezifische Energieabsorption .

Effizienz der Druckkraft

Beim Quetschen sollte der Energieabsorber die anfängliche Spitzenkraft begrenzen, um eine übermäßige Lastübertragung auf die Kabine und die Fahrgäste zu vermeiden. Eine hohe anfängliche Spitzenkraft erhöht die übertragene Aufprallenergie. Ein effizienter Energieabsorber hält die Quetschkräfte im Plateau-Bereich auf einem Niveau, das mit der anfänglichen Spitzenkraft vergleichbar ist. Dies gewährleistet eine progressive Energieabsorption und erhöht die Fahrgastsicherheit. Die Quetschkrafteffizienz (CFE) ist wie folgt definiert:

Fmax ist die anfängliche Spitzenkraft, EA ist die gesamte absorbierte Energie und d-total ist die Gesamtverschiebung während des Zerkleinerungsprozesses.

Die CFE-Werte liegen zwischen 0 und 1. Ein CFE-Wert von 0 bedeutet die schlechteste Leistung, ein CFE-Wert von 1 die beste.

Spezifische Energieabsorption

Die spezifische Energieabsorption bestimmt, ob die Struktur leicht ist oder nicht, und ist wie folgt definiert:

EA ist wiederum die gesamte Energieabsorption, und Masse ist die Gesamtmasse der Struktur.

Ein SEA-Wert größer als 20 ist akzeptabel und zeigt, dass die Konstruktion leicht ist.

Wie können wir diese Werte aus der Kraft-Weg-Kurve ermitteln?

Die maximale Kraft haben wir bereits aus den von Abaqusextrahierten Daten ermittelt. Wir müssen lediglich die absorbierte Energie berechnen. Diese entspricht der Fläche unter der Kraft-Weg-Kurve. Abaqus gibt die Ergebnisse in gleichmäßigen Zeitabständen aus. Das Zeitintervall kann vor dem Absenden des Jobs in den Ausgabeoptionen festgelegt werden. Die Kraft-Weg-Kurve sieht dann wie in der folgenden Abbildung dargestellt aus.

Die Kurve lässt sich in Trapeze unterteilen. Ein Trapez ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Berechnung der absorbierten Energie mittels Trapezintegration

Wir können dann einfach die Fläche jedes Trapezes berechnen und diese addieren, um die gesamte absorbierte Energie zu ermitteln. Die Formel lässt sich kurz wie folgt schreiben:

Dabei ist Fi die Kraft im Intervall i, d die Verschiebung in jedem Intervall, die sich entweder aus den Verschiebungsdaten selbst oder einfach durch Division der Gesamtverschiebung durch die Anzahl der Intervalle ermitteln lässt (beachten Sie, dass in der obigen Formel F0 gleich 0 ist). In unserem Fall beträgt die Gesamtverschiebung 300 mm und es gibt 20 Zeitintervalle, woraus sich Folgendes ergibt:

Daher können wir die gesamte absorbierte Energie wie folgt berechnen:

Ergebnisse: Berechnung der absorbierten Energie und der SEA

Für unseren Energieabsorber ergibt sich ein EA-Wert von 9,8 kJ, was ein guter Wert für einen leichten Aufprall ist.

Bei einer Masse von 346 Gramm haben wir:

Das beweist, dass die Konstruktion leicht ist.

Wir können Favg auch wie folgt berechnen:

Berechnung der Zerkleinerungskrafteffizienz (CFE)

Wir können auch die Crushing Force Efficiency (CFE) berechnen, um zu beurteilen, wie reibungslos der Absorber die Aufprallenergie aufnimmt.

Mit einer anfänglichen Spitzenkraft von 44,7 N können wir die CFE berechnen:

Ein CFE-Wert von 0,73 ist akzeptabel und zeigt an, dass die Struktur den größten Teil des Aufpralls absorbiert und somit die Sicherheit der Fahrgäste gewährleistet.

Abschluss

Wir haben das Quetschverhalten eines dünnwandigen Aluminium-Energieabsorbers mithilfe des expliziten Solvers von Abaquserfolgreich modelliert und analysiert. Die Ergebnisse zeigten akzeptable Leistungswerte sowohl für die Quetschkrafteffizienz als auch für die spezifische Energieabsorption, was auf eine gute Energieabsorption und Fahrgastsicherheit hinweist.

In realen Automobilanwendungen können Energieabsorber hinsichtlich Geometrie und Material deutlich komplexer sein. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen oder Speziallegierungen sowie die Verwendung von Waben-, Gitter- oder auxetischen Strukturen oder anderen komplexen, speziell für die Energieabsorption optimierten Geometrien könnten die Leistung von Energieabsorbern erheblich verbessern.

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Khalegh Kouhi-Lakeh

Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der KN Toosi University of Technology

Khalegh Kouhi-Lakeh ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der KN Toosi University of Technology und ein Simulationsexperte mit umfassender Erfahrung in numerischer Modellierung und Ingenieuranalyse. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen Computersimulationen, Strukturverhaltensanalyse und die Anwendung fortschrittlicher Simulationswerkzeuge in der Ingenieurforschung.

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