Aluminiumschaum in der Simulation: Materialkarten für Crash-Berechnungen

Für welche Solver gibt es Materialkarten?

Für drei. Die LS-DYNA-Karte ist ein gemeinsames Ergebnis von Fraunhofer IWU und Havel metal foam vom November 2020; die Radioss-Karte stammt von Havel metal foam aus dem Jahr 2021; für PAM-Crash beziehungsweise ESI VPS liegt ein Eingabedeck vor. Alle drei beschreiben denselben Werkstoff, AlSi10-Aluminiumschaum, bei derselben Referenzdichte von 0,6 g/cm³. Praktisch heißt das: Wer in einem dieser drei Solver rechnet, muss den Werkstoff nicht selbst charakterisieren, bevor die erste Rechnung läuft.

Wie ist die LS-DYNA-Karte aufgebaut?

Die Karte verwendet *MAT_HONEYCOMB, in LS-DYNA der Materialtyp 26, und rechnet in den SI-Einheiten N, mm, s, t. Hinterlegt sind die Dichte von 0,6 g/cm³, ein E-Modul des vollständig verdichteten Werkstoffs von 70 GPa, eine Querkontraktionszahl von 0,3 und eine Fließspannung des verdichteten Werkstoffs von 310 N/mm². Das relative Volumen bei vollständiger Verdichtung liegt bei 0,22. Für den unverdichteten Zustand sind ein Normalmodul von 5000 N/mm² und ein Schubmodul von 2000 N/mm² gesetzt, das Elementversagen bei einer Zugdehnung von 0,03. Druck- und Schubverhalten kommen aus hinterlegten Kurven statt aus Einzelwerten.

Für alle drei Normalenrichtungen und alle Schubrichtungen verweist die Karte auf jeweils dieselbe Kurve. Der Schaum ist darin also isotrop modelliert.

Materialmodell

*MAT_HONEYCOMB, LS-DYNA Materialtyp 26.

Einheiten

N, mm, s, t.

Dichte

0,6 g/cm³.

E-Modul verdichtet

70 GPa, also der Wert von massivem Aluminium.

Fließspannung verdichtet

310 N/mm².

Relatives Volumen bei Verdichtung

0,22.

Moduln unverdichtet

Normal 5000 N/mm², Schub 2000 N/mm².

Versagen

Zugdehnung 0,03 am Element.

Gelten die Karten für jede Dichte?

Nein, und das ist die wichtigste Einschränkung für die Planung einer Rechnung. Alle vorliegenden Karten sind für eine Referenzdichte von 0,6 g/cm³ aufgebaut. Der lieferbare Dichtebereich des Schaumkerns reicht von 0,5 bis 0,8 g/cm³, und die mechanischen Kennwerte hängen stark von der Dichte ab: zwischen 0,5 und 0,8 g/cm³ steigt der E-Modul des Kerns von 330 auf 760 N/mm² und die Druckfestigkeit von 2,5 auf 10 N/mm². Wer eine andere Dichte auslegen will, sollte den Bedarf früh ansprechen.

Rechnet Havel metal foam auch selbst?

Ja. FEM-Berechnungen sind eine der fünf Leistungen, die Havel metal foam neben Produktlösungen, Bearbeitung, Serienproduktion und Entwicklung anbietet. Für ein Bauteil heißt das, dass Auslegung und Fertigung nicht getrennt eingekauft werden müssen: dieselbe Stelle, die rechnet, fertigt anschließend auch. Die Tabellenwerte der Kennwerte-Seite sind analytisch ermittelte Richtwerte; für eine konkrete Anwendung werden die Werte anwendungsspezifisch bestimmt.