ABIL – Methoden und Softwareentwicklung zur Absicherung der Betriebsfestigkeit und Fügetechniken innovativer Leichtbaukonzepte

Die Betriebsfestigkeitssimulation wird bei MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik seit vielen Jahren im Zuge der Entwicklung von Fahrzeugen neben der NVH- und Crashsimulation erfolgreich eingesetzt. Ziel der virtuellen Entwicklung ist es, Fahrzeuge bis zu einem hohen Reifegrad vor der Fertigung von physischen Prototypen rechnerbasiert zu entwickeln und auf simulatorischem Weg abzusichern. Dies bietet die Möglichkeit, auftretende Probleme frühzeitig im Entwicklungsprozess zu erkennen und zu beheben, ohne dass teure Änderungen an physischen Prototypen und Werkzeugen vorgenommen werden müssen, deren Wirksamkeit mit aufwendigen und zeitintensiven Versuchen anschließend sichergestellt werden muss.
Bei der Entwicklung der Karosserie aber auch von Komponenten wird der Schwerpunkt immer mehr auf substantielle Massenreduktionen und umweltschonenden Materialeinsatz gelegt, um die Energieeffizienz der Fahrzeuge zu steigern. Erreicht wird dies durch den Einsatz von Leichtbaukonzepten (z.B. Space Frame Konzepte) und den damit verbundenen Fügetechnologien (z.B. Laserschweißen, Stanznieten, Kleben, etc.) und Leichtbauwerkstoffen (Aluminium, anisotrope Werkstoffe, etc.). Aufgrund der zur Verfügung stehenden Entwicklungszeit ergibt sich die Notwendigkeit Methoden und Prozesse zu entwickeln, um die Steifigkeit und Lebensdauer der Leichtbaustrukturen in der virtuellen Entwicklung aussagekräftig beurteilen zu können. Insbesondere müssen auch die vorkommenden Schweißnähte mit den auftretenden Schweißnahtformen und Nahttypen sowie die Schweißnahtenden, von denen häufig Schäden ausgehen, bei der Lebensdauerabschätzung berücksichtigt werden. Bei Space-Frame Strukturen muss die Verbindung von Blech mit Gussbauteilen durch z.B. Stanznieten, Klebung oder Schweißnähte in der Simulation richtig abgebildet und beurteilbar sein.
Aufgrund der verstärkt eingesetzten Klebeverbindungen an den Karosserieflanschen ist es notwendig, Konzepte zur Beschreibung des Versagens der Klebeverbindungen unter Schwingbeanspruchung und Betriebslasten zu entwickeln und in die Betriebsfestigkeitssimulation zu integrieren.
Ein limitierender Faktor bei der Durchführung der virtuellen Schleifen bei der Entwicklung stellt die Zeit zur Erstellung der Finite-Elemente-Modelle der betrachteten Strukturen für die Simulationen dar. Diese Zeit kann stark reduziert werden, indem die Einzelteile z.B. einer Rohkarosse unabhängig voneinander automatisiert vernetzt werden. Dieses Konzept erfordert es jedoch Methoden zu entwickeln, um alle eingesetzten Fügetechnologien mit ihren korrekten örtlichen Steifigkeiten in den Finite-Elemente-Modellen in der Form von Ersatzmodellen abbilden zu können, die nicht auf kongruenten Netzen basieren (netzunabhängige Verbindungstechnik). Bei der nachfolgenden Lebensdauerabschätzung für die Fügestellen müssen die lokalen örtlichen Beanspruchungen an den Fügestellen ermittelt und beurteilt werden können.
Die bisher eingesetzten Konzepte und Methoden für die Lebensdauerabschätzung (Ermüdung, Verschleiß) müssen mit Hinblick auf die neuen Werkstoffe und Simulationsmethoden erweitert werden. Geeignete Verfahren zur Abbildung des Versagens für anisotrope Werkstoffe und Elastomerbauteile sind zu entwickeln und in den Prozess der Lebensdauerabschätzung aufzunehmen. Da die zugehörigen Finite-Elemente-Simulationen aufgrund der auftretenden Nichtlinearitäten (Werkstoffe, Kontakte etc.) zunehmend nichtlinear durchgeführt werden, ist es erforderlich, die Lebensdauerabschätzung basierend auf diesen nichtlinearen Ergebnissen aufzusetzen.
Aus diesen Erfordernissen heraus wurde das Projekt Methoden und Softwareentwicklung zur Absicherung der Betriebsfestigkeit und Fügetechniken innovativer Leichtbaukonzepte (Kurztitel: ABIL) aufgesetzt mit dem Ziel Methoden zur spezifischen rechnerischen Bewertung und optimierten Auslegung der tragenden Leichtbaustrukturen (z.B. Space-Frame Strukturen) hinsichtlich Steifigkeit und Betriebsfestigkeit zu entwickeln, zu validieren und nach erfolgreichem Projektabschluss in das bestehende, von der MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik entwickelte Betriebsfestigkeitssoftwarepaket FEMSITE [1] zu integrieren, um in weiterer Folge zur Bearbeitung der laufenden Entwicklungsprojekte eingesetzt werden zu können. Dies stellt einen wesentlichen Baustein zur Massen- bzw. Gewichtsreduktion sowie in weiterer Folge daraus resultierenden Energieeffizienz von Automobilen dar.
Das Projekt wurde gemäß der beschriebenen Inhalte in drei Arbeitspakete wie folgt gegliedert:
AP1 Virtuelle Betriebsfestigkeitsbeurteilung für punktförmige Verbindungen und Klebeverbindungen
AP2 Virtuelle Betriebsfestigkeitsbeurteilung für linienförmige Verbindungen
AP3 Weiterentwicklung der Konzepte und Methoden zur Lebensdauerabschätzung zur optimierten Auslegung der Bauteile
Die Basis für die Methodenentwicklungen bildeten die bisher umgesetzten Konzepte, Methoden, Abläufe und Vorgehensweisen bzw. bereits durchgeführte Voruntersuchungen ([2],[3]). Die Abarbeitung der Inhalte für die einzelnen Arbeitspakete des Projektes erfolgte jeweils in Phasen, die stufenweise umgesetzt und nachfolgend in den Entwicklungsablauf integriert werden. Damit verbunden war die Erstellung von entsprechenden Prototypen in der Software und Versionen, damit die erforderliche Funktionalität bereitgestellt werden kann. Einer Entwicklungsphase für die Methoden und Konzepte folgte eine erste Umsetzungsphase, damit die entwickelten Verfahren prototypisch angewandt werden konnten. Danach folgte eine erste Validierung mit Versuchsergebnissen zumeist an Proben oder bauteilähnlichen Proben bzw. der Anpassung der Methoden aufgrund der Validierung. Die Erkenntnisse aus dieser Phase flossen in die zweite Umsetzungsphase ein, der eine weitergehende Validierungsphase folgte. Weiterführend wird die Implementierung der entwickelten Verfahren in den Entwicklungsprozess bearbeitet.