Beschreibung und Anwendung eines elastisch-plastischen Materialmodells mit Schädigung für hochporöse Metallschäume

Abstract

Die Nachfrage nach intelligenten Leichtbaukonzepten für alle Sparten der modernen Trans­portindustrie steigt ständig. Dabei bestimmen Werkstoffe und Werkstofftechnologien in entscheidender Weise die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Produkte. Primäre Ziele sind die maximale Energie­ und Rohstoffeinsparung unter zusätzlichen ökologisch und ökonomischen Randbedingungen, beispielsweise niedrige Herstellungskosten, Gewichts­reduktion und Recyclingfähigkeit.

Die Forderung nach geringeren Betriebs­- und Fertigungskosten, höheren Nutzlasten, ver­besserter Umweltverträglichkeit, erhöhter Unfallsicherheit und steigendem Komfort stellen dabei eine nicht immer leicht zu erfüllende Optimierungsaufgabe an die Produkte und an die verwendeten Materialien dar. Aus technischer Sicht werden Formstabilität und Biegesteifigkeit bei gleichzeitiger Dich­tereduzierung als eine effektive Lösung dieser Problematik gesehen.

Als Ergebnis solcher Forderungen erweitert die Herstellung und Anwendung metallischer Schäume das Spektrum bestehender Materialien wie Waben­strukturen (Honeycombs) und Kunstoffschäumen, die bereits erfolgreich im großtechnischen Einsatz sind. Insbeson­dere die Kombination der hohen spezifischen Steifigkeit und der hohen Energiedissipation in 'Crash'-Situationen in Kombination mit einer geringen spezifischen Dichte führen zu einem deutlich erweiterten Eigenschaftsspektrum.

Metallische Schäume bieten Vorteile bezüglich Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Um­weltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit gegenüber den bestehenden Materialien. Dabei kann speziellen technischen Anforderungen durch neue Verfahren gezielt über den Her­stellungsprozeß und das verwendete Matrixmaterial Rechnung getragen werden.

In der vorliegenden Arbeit geht es um die numerische Darstellung des Materialverhaltens solcher hochporösen Metallschäume. Hierdurch lassen sich durch numerischen Verfahren Aussagen über das zu erwartende Verhalten eines solchen Materials bei Belastung treffen. Die Herleitung und Anwendung eines finiten Materialmodells mit Schädigung wird vorgestellt.

As metal foams get more and more attractive for energy absorbing applications, numerical simulation of the material behavior is necessary to predict the component behavior under loading conditions. For the description of the elasto-plastic behavior of metal foams the Theory of Porous Media (TPM) is used to build a thermodynamically consistent material model.

For the most applications, where metal foams are planned to be used, energy absorption is the main task of the material. Here, a single surface yield criterion in combination with the so-called structural hardening is used to describe the plastic behavior of the foam material.

In addition to the pure elasto-plastic material model, the damage and failure behavior is a field of interest for life cycle prediction, post-crash analyses etc. For this, the classical damage models, related to non-porous materials, differ from the damage models for highly porous metal foams. For the metal foams the damage evolution can also take place under pure compression and can influence the tension failure. Thus, a damage formulation for metal foams has to be established which represents this behavior.