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Fracture criteria for automobile crashworthiness simulation of wrought aluminium alloy components

Bruchkriterien für Crash-Simulation von Komponenten aus Aluminium-Knetlegierungen in der Fahrzeugtechnik
 
: El-Magd, E.; Gese, H.; Tham, R.; Hooputra, H.; Werner, H.

:

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 32 (2001), No.9, pp.712-724
ISSN: 0933-5137
English
Journal Article
Fraunhofer EMI ()

Abstract
In automobile crashworthiness simulation, the prediction of plastic deformation and fracture of each significant, single component is critical to correctly represent the transient energy absorption through the car structure. There is currently a need, in the commercial FEM community, for validated material fracture models which adequately represent this phenomenon. The aim of this paper is to compare and to validate existing numerical approaches to predict failure with test data. All studies presented in this paper were carried out on aluminium wrought alloys: AlMgSi1.F31 and AlMgSiCu-T6. A viscoplastic material law, whose parameters are derived from uniaxial tensile and compression tests at various strain rates, is developed and presented herein. Fundamental ductile fracture mechanisms such as void nucleation, void growth, and void coalescence as well as shear band fracture are present in the tested samples and taken into consideration in the development of the fracture model. Two approaches to the prediction of fracture initiation are compared. The first is based on failure curves expressed by instantaneous macroscopic stresses and strains (i. e. maximum equivalent plastic strain vs. stress triaxiality). The second approach is based on the modified Gurson model and uses state variables at the mesoscopic scale (i. e. critical void volume fraction). Notched tensile specimens with varying notch radii and axisymmetric shear specimens were used to produce ductile fractures and shear band fractures at different stress states. The critical macroscopic and mesoscopic damage values at the fracture initiation locations were evaluated using FEM simulations of the different specimens. The derived fracture criteria (macroscopic and mesoscopic) were applied to crashworthiness experiments with real components. The quality of the prediction on component level is discussed for both types of criteria.

 

Bei der Automobil-Crash-Simulation ist die Vorausbestimmung der plastischen Verformung und des Bruchs jeder signifikanten Komponente für die richtige Bestimmung der Energieabsorbion durch die Fahrzeugstruktur entscheidend. Für die kommerzielle FEM-Simulation besteht dringender Bedarf für validierte Deformations- und Versagensmodelle, die eine adäquate Beschreibung dieser Phänomene erlauben. Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Vergleich und die Validierung existierender numerischer Verfahren für die Vorausbestimmung des Versagens anhand von Versuchsergebnissen. Alle hier dargestellten Versuche wurden an den Aluminiumknetlegierungen Al Mg Si1-F31 und AlMgSiCu-T6 durchgeführt. Ein viskoplastisches Materialgesetz wurde eingeführt, dessen Parameter anhand einachsiger Zug- und Druckversuche bei unterschiedlichen Dehngeschwindigkeiten ermittelt wurden. Grundlegende Mechanismen für Entstehung, Wachstum und Zusammenschluß von Poren sowie für Scherbandbruch werden in Betracht gezogen. Zwei unterschiedliche Wege zur Vorausbestimmung der Bruchentstehung werden verglichen. Der erste basiert auf makroskopischen Spannungen und Dehnungen in Form einer Abhängigkeit der lokalen Vergleichsdehnung vom Mehrachsigkeitsgrad. Der zweite Weg baut auf ein modifiziertes Gurson-Modell unter Verwendung von Zustandsvariablen im mesokopischen Maßstab wie Hohlraumvolumenanteil. Gekerbte Stäbe mit unterschiedlichem Kerbradius sowie rotationssymetrische Scherproben wurden verwendet, um duktile Brüche bzw. Scherbandbrüche bei unterschiedlichen Spannungszuständen zu erreichen. Die kritische makroskopische und mesoskopische Schädigung an der Bruchinitierungsstelle wurden durch FEM-Simulation für die unterschiedlichen Proben bestimmt. Die ermittelten Bruchkriterien wurden an Crashversuchen mit realen Komponenten angewandt. Die Qualität der Voraussage des Versagens realer Komponente wird für beide Kriterien diskutiert.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-30434.html