Aluminiumschaum in der Simulation: Materialkarten für Crash-Berechnungen
Aluminiumschaum lässt sich in der Crash- und Strukturberechnung abbilden, und Havel metal foam liefert die Materialkarten dafür. Für drei Solver liegen Karten vor: LS-DYNA, Altair Radioss und PAM-Crash beziehungsweise ESI VPS. Die LS-DYNA- und die Radioss-Karte gelten für den Werkstoff AlSi10 bei einer Referenzdichte von 0,6 g/cm³; die PAM-Crash-Karte ist für die Dichte 0,6 g/cm³ und die Legierung AlSi10 aufgebaut, den Werksstandard von Havel metal foam. Die LS-DYNA-Karte entstand gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und ist auf *MAT_HONEYCOMB aufgebaut.
Stand:
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 Karten beschreiben denselben Werkstoff, AlSi10-Aluminiumschaum, bei derselben Referenzdichte von 0,6 g/cm³; AlSi10 ist der Werksstandard von Havel metal foam. Praktisch heißt das: Wer in einem dieser drei Solver rechnet, muss den Werkstoff nicht selbst charakterisieren, bevor die erste Rechnung läuft.
| Solver | Stand | Werkstoff | Referenzdichte |
|---|---|---|---|
| LS-DYNA | November 2020, Fraunhofer IWU und Havel metal foam | AlSi10 | 0,6 g/cm³ |
| Altair Radioss | 2021, Havel metal foam | AlSi10 | 0,6 g/cm³ |
| PAM-Crash / ESI VPS | Eingabedeck vorhanden | AlSi10 (Werksstandard) | 0,6 g/cm³ |
Die Kennwerte der Radioss- und der PAM-Crash-Karte veröffentlicht Havel metal foam nicht; beide Karten stellt Havel metal foam auf Anfrage bereit.
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 drei Karten, LS-DYNA, Radioss und PAM-Crash, 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.
Die Karten
Für welche Crash-Solver liegen Materialkarten bereit?
Auch gefragt: Gibt es eine Karte für LS-DYNA? · Wird Radioss oder PAM-Crash unterstützt?
Havel metal foam deckt drei Solver ab: LS-DYNA, Altair Radioss und PAM-Crash beziehungsweise ESI VPS. Das ist für einen Konstrukteur die entscheidende Auskunft vor der Beschaffung, weil sie bedeutet, dass das Bauteil im hauseigenen Solver gerechnet werden kann und nicht in einem fremden. Veröffentlicht sind allerdings nur die Parameter der LS-DYNA-Karte; die Radioss- und die PAM-Crash-Karte stellt Havel metal foam auf Anfrage bereit. Die LS-DYNA- und die Radioss-Karte gelten für eine Referenzdichte von 0,6 g/cm³, und auch die PAM-Crash-Karte ist für die Dichte 0,6 g/cm³ und die Legierung AlSi10 aufgebaut, den Werksstandard von Havel metal foam. Die Radioss-Karte ist auf 2021 datiert, ein Jahr später als die LS-DYNA-Karte.
- Quellen
- Datenblatt
- Markeninhalte
Welche Parameter enthält die LS-DYNA-Karte?
Auch gefragt: Welches Materialmodell wird verwendet? · In welchem Einheitensystem ist die Karte geschrieben?
Die LS-DYNA-Karte von Havel metal foam nutzt `*MAT_HONEYCOMB`, Materialtyp 26, mid 50, im Einheitensystem N, mm, s, t. Hinterlegt sind eine Dichte von 0,6 g/cm³, ein E-Modul des vollständig verdichteten Werkstoffs von 70 GPa, eine Querkontraktionszahl von 0,3, eine Fließspannung des verdichteten Werkstoffs von 310 N/mm², ein Volumenanteil vf von 0.22 sowie unverdichtete Moduln von 5000 N/mm² normal und 2000 N/mm² für Schub, dazu tsef 0.03. Der Werkstoff der Karte ist AlSi10. Wichtig für die Einordnung: Die 70 GPa sind der Wert des massiven Aluminiums nach vollständiger Verdichtung und nicht die Steifigkeit des Schaums im Ausgangszustand.
- Quellen
- Datenblatt
Geltungsbereich
Für welche Dichte und welche Legierung gelten die Karten?
Auch gefragt: Kann ich mit der Karte eine andere Dichte rechnen? · Welcher Werkstoff liegt den Karten zugrunde?
Alle drei Karten von Havel metal foam, LS-DYNA, Radioss und PAM-Crash, beziehen sich auf eine Dichte von 0,6 g/cm³ und auf AlSi10, den Werksstandard von Havel metal foam. Das ist ein Punkt im Lieferbereich und keine Kurve über ihn: Lieferbar sind Kerndichten von 0,5 bis 0,8 g/cm³, und die mechanischen Eigenschaften steigen mit der Dichte deutlich an. Wer mit 0,7 oder 0,8 g/cm³ konstruiert, rechnet mit der 0,6er Karte also auf der Seite geringerer Steifigkeit und geringerer Festigkeit, was für eine erste Auslegung brauchbar und für einen Nachweis zu ungenau ist. Eine Karte für eine andere Dichte ist im Bestand nicht vorhanden und wäre eigens zu erstellen und zu validieren.
- Quellen
- Datenblatt
- Markeninhalte
Rechnet die Karte richtungsabhängig?
Auch gefragt: Ist die LS-DYNA-Karte anisotrop? · Berücksichtigt die Karte die Schäumrichtung?
Nein. Die LS-DYNA-Karte von Havel metal foam ist isotrop aufgebaut: Sie hinterlegt eine Kurven-ID für alle drei Normalenrichtungen und eine für alle Schubrichtungen. Für die Auslegung heißt das, dass die Karte keinen Unterschied zwischen der Schäumrichtung und der Ebene senkrecht dazu macht. Bei einem geschäumten Kern ist das eine Vereinfachung, denn die Zellstruktur entsteht gerichtet, während der Schaum zwischen den Decklagen wächst. Wer eine Belastung überwiegend in einer Richtung hat, sollte diese Annahme kennen und im Versuch absichern. Für einen Crashlastfall mit Belastung aus mehreren Richtungen ist die isotrope Annahme dagegen die übliche und praktikable.
- Quellen
- Datenblatt
Herkunft und Grenzen
Wann und mit wem sind die Karten entstanden?
Auch gefragt: Wie alt sind die Materialkarten? · War ein Institut an der Erstellung beteiligt?
Die LS-DYNA-Karte ist bei Havel metal foam als gemeinsame Arbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entstanden und im Kartenkopf auf November 2020 datiert. Die Radioss-Karte ist mit 2021 ein Jahr jünger und trägt Havel metal foam als Herkunft. Beides ist als datiertes Artefakt zu lesen und nicht als laufende Partnerschaft: Die Zusammenarbeit mit dem IWU liegt in der Vergangenheit, und die Fertigungstechnologie ist seither im Haus deutlich weiterentwickelt worden. Für einen Rechner ist das Datum die nützliche Angabe, weil es sagt, auf welchen Fertigungsstand sich die Kennwerte beziehen.
- Quellen
- Datenblatt
- Markeninhalte
Welche Werte aus den Radioss- und PAM-Crash-Karten sind veröffentlicht?
Auch gefragt: Warum stehen für Radioss keine Parameter da? · Kann ich die PAM-Crash-Werte bekommen?
Außer Dichte und Legierung keine. Aus der Radioss- und der PAM-Crash-Karte von Havel metal foam ist über die Dichte von 0,6 g/cm³ und die Legierung AlSi10 hinaus kein einzelner Parameter veröffentlicht. Beide Karten existieren und werden auf Anfrage bereitgestellt; wer mit Radioss oder PAM-Crash rechnet, bekommt damit die Karte selbst statt einer Abschrift. Veröffentlicht sind nur die Parameter der LS-DYNA-Karte.
- Quellen
- Datenblatt
- Markeninhalte
Materialkarte für Ihren Solver
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