Immer sparsamer und immer leichter, das sind die Parameter, mit denen die Ingenieure der Automobilindustrie täglich konfrontiert werden. Die Umsetzung dieser Forderungen erfolgt im Wesentlichen durch, die Umwandlung von Hardware zu Software und über die Einsparung von Gewicht mittels neuer Werkstofftechnologie oder neuem Bauteildesign.

Im Zuge dieses Trends gewinnt die Finite-Elemente-Methode (FEM) zunehmend an Bedeutung. Die Auslegung der Bauteile erfolgt hierdurch größtenteils am Computer, wodurch die zeit- und kostenintensive Fertigung von Prototypen und die Durchführung realer Versuche auf ein Minimum reduziert werden können.

Im Bereich des Automobilbaus reicht jedoch der Nachweis längst nicht mehr aus, dass die Fahrzeuge die im normalen Betrieb auftretenden statischen und dynamischen Lasten sicher über ihre gesamte Lebensdauer ertragen. Immer mehr an Bedeutung gewinnt die Untersuchung des Crashverhaltens der Fahrzeuge.

Eine realitätsnahe Simulation setzt jedoch die Verfügbarkeit aussagekräftiger Werkstoffmodelle inklusive der zugehörigen Materialparameter voraus.

Die Bereitstellung der hierfür notwendigen Daten geht jedoch über die rein quasistatischen und elastischplastischen Kennwerte hinaus, da Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit das Werkstoffverhalten gerade bei höheren Belastungsgeschwindigkeiten entscheidend beeinflussen können. Zur Ermittlung dieser Kennwerte und zur Validierung der Simulationsergebnisse bedient sich die Automobilindustrie unterschiedlichster Versuchskonzepte, welche abhängig vom gewünschten Dehnratenbereich und von der Belastungsart gewählt werden. Hauptsächlich finden jedoch servohydraulische Prüfmaschinen Anwendung, welche nach KÖNIG [1] Dehnratenuntersuchungen bis zu 1000 1/s ermöglichen.

Servohydraulische Schnellzerreißmaschine

An der Hochschule für angewandte Wissenschaften FH Ingolstadt wurde zur Ermittlung des dehnratenabhängigen Werkstoffverhaltens eine Versuchseinrichtung auf Basis einer servohydraulischen Schnellzerreißmaschine vom Typ VHS 50/20 der Firma Instron aufgebaut. Der Aufbau und die Versuche werden durch Herrn Michael Hartmann durchgeführt. Mit dem schematisch dargestellten Versuchsaufbau der Anlage können lagegeregelte Zug- und Druckversuche mit Geschwindigkeiten von 5 bis 20.000 mm/s durchgeführt werden. Die maximal mögliche statische Last der Servohydraulik liegt bei ca. 38 kN.

Dynamische Lasten können abhängig von der Versuchsgeschwindigkeit und der bewegten Masse durchaus 70 bis 80 kN erreichen.

Im Unterschied zu quasistatischen Zug- bzw. Druckversuchen ist bei dynamischen Versuchen zu Versuchsbeginn der Laststrang nicht geschlossen. Erst nach Erreichen der Prüfgeschwindigkeit wird der Laststrang „bestehend aus Querhaupt, Kraftmesseinrichtung, Prüfling und Aktuator“ geschlossen. Die Versuche werden mit konstanter Kolbengeschwindigkeit durchgeführt. Ein regelnder Eingriff ist jedoch aufgrund der sehr kurzen Versuchszeiten (wenige Millisekunden) nur bis zu einer Versuchsgeschwindigkeit von 1 m/s möglich. Ab dieser Geschwindigkeit bis zur Maximalgeschwindigkeit von 20m/s erfolgt die Steuerung der Maschine in Abhängigkeit der Ventilöffnung, welche mittels Kalibrierversuchen bestimmt wird. Die Einstellung und Regelung der Dehnrate ist primär nicht möglich. Die Aufzeichnung der im Laststrang auftretenden Kraft, der Position des Kolbens und der Beschleunigung des Aktuators erfolgt mittels Transientenrekorder. Zur optischen Analyse wurde der Versuchsaufbau zusätzlich um eine High-Speed-Kamera ergänzt. Die Kamera ermöglicht eine Aufnahmerate von bis zu 10.000 Bildern/ Sekunde. Herkömmliche Kameras erfassen zum Vergleich nur 25 Bilder/Sekunde.

Einsatzmöglichkeiten

Neben mittlerweile standardisierten hochdynamischen Zug- und Druckversuchen zur Untersuchung des dehnratenabhängigen Materialverhaltens an Stahl, Kunststoff- oder Aluminiumwerkstoffen eignet sich diese Maschine ebenso für hochdynamische Tests an bereits
bestehenden Bauteilen.

In Zusammenarbeit mit dem Automobilzulieferer Brose wurden unter anderem Untersuchungen an Crashelementen bei höheren Dehnraten durchgeführt. Der Prüfaufbau wurde hierbei so gestaltet, dass der untere, bewegte Aktuator die Probe nach dem Erreichen der Prüfgeschwindigkeit gegen eine „stehende“ Platte drückt.

Zur Absicherung der Maschine wurde der Aufbau zusätzlich um eine sogenannte Überlastsicherung erweitert, welche die im System befindliche kinetische Energie vor dem Erreichen der Endlage absorbiert.

Diese Versuchsanlage bietet durch eine individuelle Anpassung des Versuchsaufbaus vielfältigste Einsatzmöglichkeiten bei der Durchführung hochdynamischer Zug- und Druckversuche. Zudem können durch die geschickte Anordnung von Kamera und Versuchsaufbau neben der messtechnischen Datenerfassung zusätzlich Aussagen über das Verformungs- und Versagensverhalten während des Versuchs getroffen werden.

[1] König, L.;Wellnitz J.: Ermittlung des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens im Hochgeschwindigkeitsversuch an ausgewählten Leichtbauwerkstoffen, In: O. Huber; M. Biker (Hrsg.): 2. Landshuter Leichtbau-Colloquium. Landshut, LC-Verlag, 2005, S. 149 – 157

[2] König, L.: Beitrag zur Ermittlung des dehnratenabhängigen Werkstoffverhaltens im servohydraulischen Schnellzerreißversuch, Dissertation an der Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik, 2006