Adiabatische Erwärmung von Stahlblechwerkstoffen unter komplexen crashartigen Belastungen

Abstract

Um die stetig steigenden gesetzlichen Anforderungen an die Schadstoffemmission von Kraftfahrzeugen einhalten zu können, stellt die Verbesserung der Crashberechnungen ein stetiges Forschungsgebiet dar. Da in der Crashsimulation häufig dehnungsbasierte Versagensmodelle zum Einsatz kommen, werden Verfestigungsmodelle erforderlich, die auch lokale Dehnungen vor Bruch in einem weiten Dehnratenbereich unter komplexen Belastungszuständen realistisch wiedergeben können. Dehnratenbedingte Verfestigungseffekte sind bereits hinreichend untersucht, das Verfestigungsverhalten hochfester Stahlblechwerkstoffe zeigt jedoch bei mittleren bis hohen Dehnraten in den hochverformten Zonen auch eine thermische Entfestigung. Ursache dafür ist adiabatische Erwärmung, da die in Wärme umgesetzte Verformungsenergie in den kurzen Belastungszeiten nicht vollständig abgeführt werden kann. Da in der Crashsimulation üblicherweise auf kostenintensive thermomechanisch gekoppelte Rechnungen verzichtet wird, müssen neben der Entstehung der Wärmemenge auch die Wärmeleitungsmechanismen und die vorherrschenden Temperaturen in den stark verformten Zonen aus mechanischen Größen abgeschätzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollte aufgezeigt werden, dass für im Karosseriebau häufig eingesetzte hochfeste Stahlblechwerkstoffe neben der Dehnrate insbesondere der Belastungszustand einen deutlichen Einfluss auf die adiabatische Erwärmung und den Wärmetransport crashbelasteter Komponenten ausübt. Anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen mit einbis mehrachsigen Zug- und Scherversuchen für Dehnraten von 0,001 s-1 bis 100 s-1 erfolgten detaillierte Betrachtungen der entstehenden Wärmemenge und der Wärmetransportmechanismen in den hochverformten Zonen. Als wesentliches Ergebnis zeigte sich, dass der Übergangsbereich zwischen isothermem und adiabatischem Verhalten mit zunehmendem Verfestigungsvermögen des Werkstoffs zu höheren Dehnraten verschoben ist und insbesondere für Scherbelastung bei höheren Dehnraten liegt, verglichen mit Zugbelastung. Auf Basis dieser grundlegenden Erkenntnisse erfolgte eine Erweiterung eines Materialmodells mit einer dehnratenabhängigen isotherm-adiabatischen Übergangsfunktion für die Berücksichtigung des Wärmetransports um die zusätzliche Abhängigkeit vom Spannungszustand als Adiabatic-Tension-Shear-Modell (ATSModell). Mit diesem Modell kann die lokale Temperatur aus der in Wärme umgesetzten Verformungsarbeit und einer den Wärmetransport berücksichtigenden Skalierung des Taylor-QuinneyKoeffizienten in Abhängigkeit von der Dehnrate und dem Spannungszustand berechnet werden. Für einen Dualphasenstahl DP1000 und einen mikrolegierten Stahl HX340LAD wurde das ATSModell zusammen mit einem gängigen thermo-viskoplastischen Verfestigungsmodell kalibriert und für Crashversuche an gestauchten Hohlprofilen und Versuche an Blechproben mit gemischter Zug-Scherbelastung angewendet. Das Verfestigungsverhalten dieser Blechwerkstoffe konnte durch isotherme Rechnungen für Dehnraten bis ca. 0,01 s-1 und durch vollständig adiabatische Rechnungen für Dehnraten von etwa 50 s-1 und darüber unabhängig vom Spannungszustand ausreichend gut wiedergegeben werden. Im Übergangsdehnratenbereich zwischen ca. 0,01 s-1 und 50 s-1 ist die adiabatische Erwärmung aufgrund des auftretenden Wärmetransportes in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften und des Spannungszustandes (Zugbelastung oder Scherbelastung) zu berücksichtigen. Bei signifikanten Scheranteilen verbessert in diesem Dehnratenbereich die Verwendung des ATS Modells die Prognose des Verformungsverhaltens insbesondere für den mikrolegierten Stahl. Für den Dualphasenstahl kann die isotherme Rechnung das mechanische Werkstoffverhalten jedoch noch ausreichend gut wiedergeben. Für den mikrolegierten Stahl führt eine geringere Festigkeit im Vergleich zu dem hochfesten Dualphasenstahl zu einer prozentual höheren thermischen Entfestigung. Zusätzlich führt das größere Verfestigungsvermögen dieser Werkstoffklasse dazu, dass die Lokalisierungen von Dehnungen und Temperaturen mit geringeren Dehnraten und damit mit erhöhtem Wärmetransport erfolgen. Diese gekoppelten Einflüsse auf das Verfestigungsverhalten unter komplexen Crashbelastungen führen zu einer erhöhten Sensitivität des mikrolegierten Stahls bezüglich adiabatischer Erwärmung, die in der Modellierung des Verfestigungsverhaltens speziell bei dieser Werkstoffklasse eine präzise Abbildung verlangt. Mithilfe der in dieser Arbeit durchgeführten Arbeiten wurde ein wissenschaftlicher Beitrag zur Modellierung des Verfestigungsverhaltens hochfester Stahlblechwerkstoffe in einem weiten Dehnratenbereich unter komplexen Spannungszuständen geleistet. Das erweiterte Modell steht zukünftig für die Crashsimulation zur Verfügung und bietet das Potenzial, für eine durchgehende Modellierung der Prozesskette Umformen-Crash auch in der Umformsimulation verwendet zu werden.