Materialdatenermittlung für die Crashsimulation thermoplastischer Spritzgussbauteile

Die Crashsimulation ist erst seit relativ kurzer Zeit integraler Bestandteil der Auslegung technischer Thermoplastbauteile. Während die Bedeutung der Crashsimulation für die Absicherung von Konstruktionen und die Beschleunigung der Entwicklungsprozesse bereits länger anerkannt ist, wurde ihr Einsatz bislang durch zahlreiche Schwierigkeiten gehemmt. Einige dieser Hemmnisse wie die hohen Anforderungen an Rechenleistung und Speicherbedarf sowie fehlende oder ungenaue Materialmodelle können mittlerweile als ausgeräumt oder zumindest erheblich abgemindert betrachtet werden. Erschwert wird die präzise Berechnung des Werkstoffverhaltens unter crashartigen Beanspruchungen bislang aber noch durch die komplizierte, aufwändige und bislang wenig untersuchte Kalibrierung der vorliegenden Materialmodelle.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Kalibrierungskonzepts, das im Rahmen einer rechnerunterstützten Materialdatenermittlung den Zusammenhang zwischen Werkstoffversuch, Materialmodellierung und Simulation herstellt. Dazu wird zunächst das Werkstoffverhalten von Thermoplasten unter stoßartigen Belastungen beschrieben. Dabei werden die wesentlichen Einflussfaktoren auf Steifigkeit und Festigkeit herausgearbeitet und der aktuelle Stand der Technik in der Werkstoffprüfung dargestellt. Anschließend werden Materialmodelle vorgestellt, mit deren Hilfe sich dieses Werkstoffverhalten in gängigen Simulationsprogrammen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode abbilden lässt.
Den Hauptteil der vorliegenden Arbeit nimmt die Vorstellung der entwickelten Vorgehensweise zur rechnerunterstützten Materialdatenermittlung mit Hilfe des Reverse Engineering sowie der dabei verwendeten Programme und Materialmodelle ein. Die Vorgehensweise und die damit erzielbaren Ergebnisse werden zunächst unter Verwendung einfacher Modelle auf Basis elastisch/viskoplastischer Materialbeschreibungen für verschiedene Thermoplaste dargestellt. Dabei werden anhand des Vergleichs von durchgeführten und berechneten Zug- und Durchstoßversuchen auch die Einflüsse von Berechnungsprogramm, Elementtyp, Netzfeinheit und Randbedingungen auf die Ergebnisse beschrieben. Anschließend wird die Methodik auf eine werkstoff- und belastungsgerechtere Materialmodellierung übertragen und die damit möglichen Verbesserungen in der Abbildung des realen Werkstoffverhaltens diskutiert. Schließlich werden Möglichkeiten aufgezeigt, das reale mechanische Verhalten von Thermoplastbauteilen unter crasharteigen Beanspruchungen in Zukunft noch genauer und unter akzeptablem Mess- und Prüfaufwand zu beschreiben.