Simulation eines Pkw-Heckklappenschlosses unter extremer Belastung

Virtueller Zerreißtest

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Heckklappenschlösser gehören im Automobilbereich zu den sicherheitsrelevanten Bauteilen, die gesetzlichen Mindestanforderungen entsprechen müssen. Nachweise erfolgen unter anderem über verschiedene Zerreißtests durch Versuche an einer Zugmaschine. Die Brose Schließ- systeme in Wuppertal geht hier neue Wege, indem das Verhalten der Schließsysteme unter extremer Belastung – zusätzlich – am Bildschirm simuliert wird.

Pkw-Schlösser müssen unter verschiedenen stark nichtlinearen Auszugsbelastungen ihre Funktion erfüllen. Als sicherheitsrelevante Bauteile unterliegen sie gesetzlichen Mindestanforderungen hinsichtlich der Kräfte, die das Schloss über den Schließbügel in verschiedene Richtungen aufnehmen muss. Traditionell erfolgt der Nachweis dieser Anforderungen über Versuche an einer Zugmaschine, in der mit den Schließsystemen Zerreißtests in den einzelnen Raumrichtungen durchgeführt werden. Ziel von Brose ist es, auf dem Wege der FEM-Simulation einen „virtuellen Zerreißtest“ durchzuführen. Für solche hochgradig nichtlinearen und kurzzeit-dynamischen Berechnungsaufgaben ist das Programm LS-Dyna führend. Bei diesem Projekt soll LS-Dyna zudem auch über die von der Firma Cadfem entwickelte Schnittstelle „Ansys Workbench for LS-Dyna“ aus der intuitiven Ansys-Workbench Umgebung eingesetzt werden. Diese Kombination von Ansys und LS-Dyna ist deshalb vorteilhaft, da mit Ansys-Workbench bei sehr verschiedenen Aufgabenstellungen schnelle Entwicklungsschleifen gefahren werden können, in denen im stark nichtlinearen Bereich zusätzlich ein Zugriff auf LS-Dyna ohne Umwege möglich ist. In einem ersten Pilottest wurde dieser innovative Workflow bereits anhand eines vereinfachten Schlossmodells exemplarisch durchgeführt.

Vier praxisnahe Auslegungslastfälle
Es gibt vier Auslegungslastfälle für diese Schlösser, die mit Methoden der FEM untersucht werden können. Dabei wird das Schloss mit seinem Gehäuse auf einer Testvorrichtung aufgespannt und am Schließbügel durch eine Vorgabe der Bewegung in Auszugsrichtung belastet.
Die vier Lastrichtungen verlaufen…
  • 1. gegen das Schlossrückblech ziehend
  • 2. in Öffnungsrichtung des Schlosses
  • 3. und 4. quer zu den genannten Richtungen
Diese Lastfälle lassen sich teilweise auch mit einem impliziten FEM-Programm wie Ansys-Workbench berechnen. Allerdings kann die benötigte Rechenzeit durch die immens starke Nichtlinearität und das iterative Verfahren sehr hoch werden. Zudem ist es möglich, dass bei derart extremen Deformationen und der Verwendung eines impliziten Solvers noch zusätzliche Probleme in der Konvergenz entstehen können. Trotz des vorliegenden quasi-statischen Lastfalls ist daher die Verwendung eines expliziten Lösers in Form von LS-Dyna vorteilhaft und typischerweise effizienter in Bezug auf die Rechenzeit.
Bekannt ist, dass beim Lastfall 1 das Schloss dadurch versagt, dass es an einer der Rückblechsicken aufreißt. Die Last, bei der dies geschieht, ist stark abhängig von den Kerben, die bei der Versickung eingebracht werden. Diese Effekte abzubilden, ist eine große Herausforderung für die verwendeten Materialmodelle und für die Konvergenz des Lösungsverfahrens. Auch bei der Validierung anderer aktueller Schlosssimulationen hat sich gezeigt, dass die Abbildung des Materialversagens mit Rissbildung zur genaueren Analyse des Schlossausfalls wichtig ist. Genau hier liegt eine weitere Stärke in der Verwendung von LS-Dyna, das mit seinen umfangreichen nichtlinearen Materialmodellen auch eine Entfestigung mit Versagen und Reißen von Material berücksichtigen kann. Im Rahmen des Pilotprojektes wurde, wie bereits erwähnt, auch die komfortable Ansys-Workbench-Umgebung verwendet, um ein vereinfachtes Modell des Schlosses aufzubereiten, zu vernetzen und schließlich über die Schnittstelle „Ansys-Workbench for LS-Dyna“ an LS-Dyna zu übergeben.
Berechnung von Lastfällen, Kontakten und Materialeigenschaften
Die Berechnung an sich benötigt unter Verwendung der SMP-Version von LS-Dyna mit zwei CPUs etwa 3 h. Im Lastfall 2, also bei Belastung in Öffnungsrichtung des Schlosses, zeigt sich sehr anschaulich, wie Bügel und Drehriegel plastifizieren. Die zum Auszug nötige Kraft flacht dabei zunehmend ab und die maximale Traglast des Systems wird erreicht.
Unter Berücksichtigung des Versagens beispielsweise in Form des Gurson-Materialmodells oder auch heuristisch auf Basis der plastischen äquivalenten Verzerrung, lässt sich zeigen, welche Komponente wann und wo aufreißt. Auch in dem gewählten Lastfall senkrecht zur Öffnungsrichtung des Schlosses zeigt sich, dass Drehriegel und Bügel stark plastifizieren. Während der Drehriegel durch die spätere Anlage an das untere Gehäuseteil gestützt wird, erfährt der Bügel extrem hohe Deformationen, die letztlich auch zu einem Versagen und Bruch desselben führen können. Neben den Erkenntnissen zur Auszugslast des Schlosses und den möglichen auftretenden Versagensformen und -orten ist auch die Aussage zur Belastung der Schlossaufnahmepunkte als auch der Drehriegel-Drehpunkte für die Auslegung des Schlosses von Bedeutung. Die Berechnung mit LS-Dyna liefert auch wertvolle Erkenntnisse. Ziel ist, den explizitenhierzu Berechnungsprozess des Zerreißtests eines Türschlosses in seiner Gesamtheit über die Schnittstelle „Ansys-Workbench for LS-Dyna“ abzuwickeln. Dann werden auch in diesen Workflow alle verformbaren Bauteile mit einer genauen Versagensmodellierung auf der Basis entsprechender Eingangswerte für das Materialmodell (z. B. Gurson) einbezogen.
Cadfem;
Telefon: 0711/990745-0;
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