Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Metallschaum ist ein hervorragender Leichtbauwerkstoff mit optimalen Eigenschaften f\u00fcr Gewichtsoptimierte Fahrzeuge. Die Anwendung metallischer Sch\u00e4ume wird aber noch durch unzureichende M\u00f6glichkeiten, den Werkstoff in seinen Eigenschaften zu berechnen, behindert. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung geeigneter Materialgesetze f\u00fcr Aluminiumschaum, die Erarbeitung einer auf Metallschaumanwendung optimierten Crash-Struktur, einer optimierten hochsteifen L\u00e4ngstr\u00e4gerstruktur sowie der Nachweis der Berechenbarkeit von Eigenschaften mit Metallschaum verst\u00e4rkter Strukturen mittels Finite Elemente Analyse.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst werden durch einachsige Druckversuche Einflussgr\u00f6\u00dfen auf mechanische Eigenschaften quantitativ identifiziert. Dann werden mit Hilfe der Sandwich-Proben anhand von Messungen mechanische Kennwerte von Aluminiumschaum unter kombinierter Normal- und Scherverformung ermittelt, um Kennwerte f\u00fcr die Charakterisierung von Schaumstrukturen unter mehrachsiger Belastung zu erhalten. Linear elastische FE-Berechnungen zur Verformung von reinem Aluminiumschaum werden im Vergleich zu experimentelle Messungen durchgef\u00fchrt. Zur Analyse der linear elastischen Eigenschaften werden Vibrationsmessungen an frei aufgeh\u00e4ngten stabf\u00f6rmigen Proben aus Aluminiumschaum durchgef\u00fchrt und die Longitudinal- und Biegeschwingungen gemessen. Diesen Eigenfrequenzen werden analytisch berechnete Eigenfrequenzen und aus FEM-Analysen ermittelte Eigenfrequenzen gegen\u00fcbergestellt, um die Qualit\u00e4t der FE-Berechnungen zu bestimmen. Zuletzt wird aus den gemessenen Eigenfrequenzen und Eigenmoden durch Rekonstruktion ein konservatives System, bestehend aus Modal-, Massen- und Steifigkeitsmatrix berechnet. Das rekonstruierte System soll dabei die linear elastischen Eigenschaften des Systems korrekt wiedergeben. Bei v\u00f6lliger \u00dcbereinstimmung sind beide Systeme spektral und modal identisch. Diese \u00dcbereinstimmung wird \u00fcberpr\u00fcft.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Anhand von Vibrationsmessungen, dem Vergleich mit analytisch aus der Euler-Bernoulli-Balkentheorie berechneten Eigenfrequenzen sowie FEM-Berechnungen wurde gezeigt, dass PM-Aluminiumschaum bereits im elastischen Zustand anisotrop ist. Weiter wurde anhand der Verformung einer Aluminium-schaumplatte eindeutig durch FEM-Analyse und experimenteller Untersuchung nachgewiesen, dass die bis heute g\u00e4ngige Praxis, die linear elastische FEM-Analyse von Aluminiumschaum durch Anwendung eines isotropen Materialmodells unter Angabe einer Querkontraktionszahl sowie eines von der Dichte abh\u00e4ngigen E-Moduls vorzunehmen, wenig zuverl\u00e4ssig ist. Insbesondere werden bei dieser Art der FEM-Analyse weder Anisotropie noch Einfluss der lokalen Dichte auf die mechanischen Eigenschaften ber\u00fccksichtigt, was aber unerl\u00e4sslich ist.
\nDurch Vibrationsmessungen und Rekonstruktion des Systems aus den gemessenen Eigenpaaren wurde eine neue, leistungsf\u00e4hige Methode entwickelt, komplexe Systemeigenschaften integral zu erfassen und in einem durch Rekonstruktion berechneten System, aufgebaut aus Modal-, Massen- und Steifigkeitsmatrix, abzubilden. Dieses rekonstruierte System repr\u00e4sentiert f\u00fcr den linear elastischen Bereich die Eigenschaften der gemessenen Probe. Weitere Messungen mit Proben unterschiedlicher Dichte, Gusshaut sowie unterschiedlicher Herstellungsparameter (Anisotropie) sind durchzuf\u00fchren und daraus FE-kompatible Elemente zu entwickeln, die in kommerzielle FE-Software implementiert werden k\u00f6nnen.
\nF\u00fcr die Untersuchung der plastischen Eigenschaften unter mehrachsiger Beanspruchung wurde eine neue Probengeometrie und ein neuer Versuchsstand Universal Biaxial Testing Device (UBTD) zur experimentellen Ermittlung der Flie\u00dffl\u00e4che entwickelt. Das Verformungsverhalten nach dem Versagen (Bruch) bis zum Wiederverdichten der Proben konnte damit untersucht werden. Die Messwerte zeigen deutliche Schwankungen, die wahrscheinlich auf den Einfluss von unterschiedlicher lokaler Dichteverteilung zur\u00fcckzuf\u00fchren sind. Die Experimente und Auswertungen werden Ende 2003 abgeschlossen sein.
\nDie Messmethoden erg\u00e4nzen einander, da durch Vibrationsmessungen die linear elastischen und durch die UBTD-Versuche vor allem die plastischen Eigenschaften untersucht werden. Es besteht zudem die M\u00f6glichkeit, dass die durch Vibrationsmessungen und Rekonstruktion zu erstellenden FE-kompatiblen Elemente mit dem noch zu erstellenden Modell, das aus der experimentell gewonnenen Flie\u00dffl\u00e4che auf-gestellt wird, zu kombinieren.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Weitergabe der Ergebnisse erfolgt haupts\u00e4chlich an Hersteller von FE-Software, um geeignete Materialmodelle zu implementieren. Potentielle Kunden werden dann wiederum diese Materialmodelle f\u00fcr ihre Berechnungen einsetzen k\u00f6nnen. Ein Artikel \u00fcber die Rekonstruktion eines nichtkonservativen Systems aus Eigenpaaren wurde am 7.06.2003 bei der Zeitschrift International Journal for Numerical Me-thods in Engineering zur Ver\u00f6ffentlichung eingereicht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Modellerstellung f\u00fcr pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumschaum wird durch die starke Abh\u00e4ngigkeit der mechanischen Eigenschaften von der lokal unterschiedlichen Dichte und Anisotropie der mechanischen Eigenschaften enorm erschwert. Daher wurde das Ziel, verbesserte Materialmodelle zu erstellen, zu validieren und anhand dieser Modelle Komponenten mit Aluminiumschaum zu entwickeln, nicht erreicht. Bei der Gewinnung von experimentellen Daten wurden signifikante Fortschritte bez\u00fcglich der Ermittlung linear elastischer Eigenschaften durch Vibrationsmessung sowie plastischer Eigenschaften unter mehrachsiger Beanspruchung durch die Entwicklung eines Versuchsstandes (UBTD) erzielt. Es wurde erfolgreich ein System aus Modal, Massen- und Steifigkeitsmatrix entwickelt, das korrekt die Eigenschaften des untersuchten Aluminiumschaums wiedergibt. Dieser neue Ansatz ist vom Material unabh\u00e4ngig und kann prinzipiell auch f\u00fcr andere, schwer zu modellierende komplexe Werkstoffe verwendet werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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