Optimierung von Kunststoffbauteilen im Crash: Status und ... · Optimierung von Kunststoffbauteilen...

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Optimierung von Kunststoffbauteilen im Crash: Status und Ausblick Torsten Hensel – BASF SE Dr. Steffen Frik, Opel AG Andreas Wüst, BASF SE Dr. Stefan Glaser, BASF SE

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Optimierung von Kunststoffbauteilen im Crash: Status und Ausblick

Torsten Hensel – BASF SEDr. Steffen Frik, Opel AGAndreas Wüst, BASF SE

Dr. Stefan Glaser, BASF SE

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Content

Wüst, Frik, Hensel, Glaser 2

Motivation

Material modelling of Short fibre reinforced thermoplastics for Crash

ULTRASIM™ examples and applications at OPEL

Modelling Energy absorbing structures out of glass-filled thermoplastic materials

Vision Integrative Approach

Summary

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MotivationApplication of Polymers

3

• More and more structural components are made of polymers(e.g. short fiber reinforced polymers)

• These materials show significant anisotropy due to fiberorientation caused by injection molding

• In order to predict component behavior, kinematics andstructural response with required accuracy, anisotropy must be captured

Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Development targets:

• Optimized, ribbed plastic structure to provide sufficient support for lower leg during the impact

• Needs to fail in a controlled manner during RCAR impacts in order not to damage other components

• Low weight at reasonable costs

Lower Bumper Support

4Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Without Lower Bumper Support With Lower Bumper Support

No support of lower leg Support lower leg, reduce knee bending angle

Lower Leg Impact Kinematics

5Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Lower Leg Impact (Full Model)

6Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Simulation ResultsImpact on stiffness and rupture

7

Nor

mal

ized

acc

eler

atio

n

Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Integrative Simulation ULTRASIM™ for fiber reinforced thermoplastics

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MeasurementProcess

BASF Material model

Part• Anisotropic • Nonlinear • Strain-rate sensitive• Tension-compression

asymmetric • Failure modelling• Temperature dependent

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Integrative Simulation ULTRASIM™Fiber orientation and material behaviour

9

Local true stress strain at a fiber orientations of 0.5

Stress

Fiber orientation of 0,5

Fiber orientation of 0,7

Local true stress strain at a fiber orientations of 0.7 and 0.3Local true stress strain at a

fiber orientations of 0.9 and 0.1

Fiber orientation of 0,9

Strain

Stress

Strain

Stress

Strain

Orientation of fibers

Calculated glass fiber orientation based on optimum processing conditions

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Integrative Simulation ULTRASIM™ Data flow structure

10

ABAQUS, LS-Dyna, PAM, RADIOSS, NASTRAN

MOLDFLOW

MOLDEXFIBER

p Filling-simulation

Finite Element Simulation

Material-parameter

Geometry, Boundary Cond.

homogenization of orientation

anisotropic material model

homogenization of fibers and polymer

Material-parameter

Material model for fibers

•elastic •brittle

Material model for polymer

•elastic •lastic-plastic•viscoplastic

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2006 2008 2009 2010

LBS Implementations

11Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Additional Applications

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Engine Mounts (e.g. Insignia)

Special Seats (e.g. Insignia OPC)

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Stress-Strain behaviourTension-Compression Asymmetry

13

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 Strain [%]

Tension

Tension

Stress [MPa]Injection moulded plate

influence: fiber orientation and hydrostatic stress state

Compression

Compression

9 10Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Example for an Energy absorbing plastics structure –BASF Test Specimen for compression loadNeeded for Calibrating Failure Simulation Parameters

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Specimen is designed for controlled collapse

Material: B3WG6 CR (PA6 GF30%)sliding barrier

60 mm

60 mmWüst, Frik, Hensel, Glaser

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Plastic specimen under compression loadSimulation and Experiment

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Test-specimen under compression loadSimulation and Experiment

60 mm

Wüst, Frik, Hensel, Glaser

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Lower Loadpath

TraditionalMetal Crashbox:

Loadpath 1

New Loadpath 2

Space for additional Absorber

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Videocomparison Absorber enhanced ULTRASIM™ failure modelling

ULTRASIM™

Integrative Simulation

Math. Optimierung

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Dynamic Test Video

Drop mass: 60 kgDrop height: 2.5 mDrop Energy: 1.47 kJDuration: 25 msecDisplacement: 75 mmPart weight: ~130gr

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Parameter Optimization in CAEIterative process based on mathematical optimization methods

Mathematical Optimization

MethodsFE-Solver

Design Variables

System responses

Design parameters• Wallthickness• Contours• Rib heights• …

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Shape Optimization using Morphing

Morphing parameter 2

Morphing parameter 1

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Vision – Integrative OptimizationStandard Optimization and Integrative Approach

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Product in use

• Crash• Static Loads• NVH• Warpage• …

BASF ULTRASIM

Plastics granulate with glass fibers

Injection molding process AssemblyPart

Standard Approach

Integrative Optimization Approach

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Workflow for Standard Optimization Approach

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Mathematical Optimizer

Vector of Design Variables

3

2

1

xxx

System parameterse.g. wallthicknesses

FE-SolverABAQUS, LS-Dyna, PAM

Modified FE-Inputfile

FE-Results

vector of Responses

3

2

1

rrr

Response Extraction

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Workflow for Integrative Optimization ApproachSingle disciplinary (without morphing)

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Mathematical Optimizer

Vector of Design Variables

3

2

1

xxx

General system parameters

vector of Responses

3

2

1

rrr

Discipline 1:Mechanical FE

Simulation

Discipline „0“:Process

SimulationManufacturing

Wallthickness, Injection time and location, temperatures, gate delay times, … Wallthickness, …

BASF ULTRASIM™Fiber Orientation

Mapping

Intermediate Mesh for mapping

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Workflow for Integrative Optimization ApproachMulti disciplinary (with morphing)

Mathematical Optimizer

Vector of Design Variables

3

2

1

xxx

General system parameters

Discipline 1

vector of Responses

3

2

1

rrr

Discipline 2 Discipline n…

Process SimulationManufacturing

Discipline „0“

Wallthickness, Injection time and location, temperatures, gate delay times, …

BASF ULTRASIM™Fiber Orientation

Mapping

Intermediate Mesh

Intermediate Mesh

Intermediate Mesh

Morphing

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Integrative Optimization ExampleFilling, Warpage, Impact, Static Load, Shape Optimization by MorphingLS-OPT, MOLDFLOW, LS-Dyna, ANSA, ABAQUS

Filling

Warpage

Impact

MorphingIntegrativeOptimization

Static Load

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Summary

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More and more structural vehicle parts are made of anisotropic polymers

Injection molding process determines fiber orientation and thus local mechanical properties

ULTRASIMTM approach has been applied for numerous applications Initially: Lower bumper support for pedestrian protection Extended to engine mounts and seats

Simulation results show excellent correlation with physical tests Extended ULTRASIM™ failure model is crucial for the accurate design

of energy absorbing structures Integrative Optimization Approach allows simultaneous optimization

of process and mechanical characteristics

Wüst, Frik, Hensel, Glaser