Nicht-lokale Versagensformulierung zur Simulation des spannungsratenabhängigen Bruchverhaltens von Verbundsicherheitsglas und ihre Anwendung beim Kopfaufprall auf Windschutzscheiben

verfasst von: Dr. Christian Alter

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion im Bauwesen

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieses Buch behandelt sowohl experimentelle als auch numerische Aspekte des Kopfaufpralls auf die Windschutzscheibe. Ziel der Untersuchungen ist die Umsetzung eines nicht-lokalen Berechnungsmodells mit dem das Bruchverhalten der Windschutzscheibe unter Impaktbelastung prognosesicherer abgebildet werden kann.Darüber hinaus wird die verwendete FE-Modellierungstechnik dargestellt und die Vor- und Nachteile klassischer Versagenskriterien herausgearbeitet.Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird ein bruchmechanisch motivierter, nicht-lokaler Ansatz zur Regularisierung der Methode der Elementlöschung erarbeitet und anhand der durchgeführten Kopfaufprallversuche validiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung

Die Vorhersagbarkeit von Bauteilversagen ist seit vielen Jahrzehnten von hoher ingenieurmäßiger Relevanz, jedoch in vielen Bereichen weitaus weniger erforscht, als es zur Berechnung und Beurteilung wichtiger Fragestellungen notwendig wäre.Wird mit demWort „kaputt“ im allgemeinen Sprachgebrauch häufig eine negative Konnotation verbunden, existieren im Ingenieursalltag vielfältige Anwendungen, die sich eine Zerstörung des betrachteten Objekts zunutze machen, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Im Falle einer Kollision zwischen einem Kraftfahrzeug (Kfz) und einem Fußgänger birgt beispielsweise der Kopfaufprall auf dieWindschutzscheibe als steifes Strukturelement ein erhebliches Verletzungsrisiko. Erst eine mit der Zerstörung der aus Verbundsicherheitsglas (VSG) bestehenden Windschutzscheibe einhergehende Erhöhung der Energieabsorption bei gleichzeitiger Steigerung des Verzögerungswegs verringert das Verletzungsrisiko des Passanten.

Christian Alter

Kapitel 2. Theoretische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Beurteilung der Widerstandsfähigkeit eines Körpers oder einer Struktur gegenüber einer anliegenden Belastung basiert in der Regel auf einer Bewertung der im Körperinneren vorliegenden Spannung als Reaktion auf äußere Einflussgrößen. Im Bereich der FEM wird bei der Prognose der Belastung eines Körpers, je nach Modellierung, zwischen zwei grundlegenden Ansatzpunkten unterschieden: Die volle Modellierung eines Körpers als dreidimensionales Bauteil mit vollwertigem dreidimensionalen Spannungszustand oder vereinfacht als zweidimensionaler Körper, dem in der Regel der ebene Spannungs– oder alternativ der ebene Verzerrungszustand zugrunde gelegt wird. Darüber hinaus finden sich eindimensionale Ansätze, auf die in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht näher eingegangen wird.

Christian Alter

Kapitel 3. Windschutzscheibenkomponenten

Zusammenfassung

Mit einem Volumenanteil von über 80%und einem Massenanteil von über 90%stellen die beiden Floatglasplatten aus Kalknatron–Silikatglas (nach DIN 1259-1 [125] auch Kalk– Natronglas oder Natron–Kalkglas) den Hauptbestandteil der Windschutzscheibe dar. Es besteht, neben weiteren Oxiden, hauptsächlich aus etwa 70-75%Siliziumdioxid (SiO₂) als Netzwerkbildner, 15%Natriumoxid (Na₂O) zur Reduktion der Schmelztemperatur (Flussmittel) und 4-10 % Calciumoxid (CaO) zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit, der Härte sowie der Zugfestigkeit (Stabilisator), [126], [127]. Die Transparenz im sichtbaren Wellenlängenbereich des amorphen Kalknatron–Silikatglas resultiert unter anderem aus einer unregelmäßigen Struktur des Siliziumdioxid (SiO₂)–Netzwerks als Hauptbestandteil des Materials, Abbildung 3.1.

Christian Alter

Kapitel 4. Bauteilversuche

Zusammenfassung

Die in dieser Arbeit aufgezeigten dynamischen Impaktversuche wurden bei dem externen Dienstleister für Fahrzeugsicherheit Advanced Car Technology Systems GmbH & Co. KG (ACTS) in Anlehnung an die Vorgaben nach ECE R 43 [6] durchgeführt. Der verwendete Versuchsstand besteht aus einem Mehrachs–Roboterarm, an dessen Ende eine hydraulische Abschussvorrichtung zur Beschleunigung des Impaktors montiert ist, Abbildung 4.1 (a).

Christian Alter

Kapitel 5. Finite Elemente Simulation

Zusammenfassung

Die Belastungsrandbedingung bei der numerischen Berechnung der durchgeführten Kopfaufprallversuche wird über ein detailliertes FE–Modell des Kopfimpaktors aufgebracht. Um eine möglichst realitätsnahe Abbildung des mechanischen Verhaltens und somit eine repräsentative Prognose der für den HIC–Wert maßgebenden Beschleunigungskomponenten zu gewährleisten, wird in der vorliegenden Arbeit auf ein kommerzielles, speziell für den Kopfaufprall validiertes FE–Modell zurückgegriffen. Die stark nichtlinear viskoelastischen Materialeigenschaften der Kopfhaut wurden in FRANK et al. [216] zunächst über eine lineare Viskoelastizität angenähert.

Christian Alter

Kapitel 6. Alternatives, nicht-lokales Versagenskriterium

Zusammenfassung

Eine wichtige Grundlage zur Konstruktion eines Versagenskriteriums ist eine Analyse der ausschlaggebenden Einflussfaktoren auf die unterschiedlichen Bruchstadien der Windschutzscheibe. Im Hinblick auf das anschließende Kapitel, in dem ein neuer Ansatz zur Verbesserung der Simulation von VSG unter dem Lastfall des Kopfaufpralls vorgestellt wird, ist eine genauere Analyse der einzelnen Teilbereiche der Beschleunigungskurven der Versuche zielführend.

Christian Alter

Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung sowie der numerischen Berechnung des Bruchverhaltens von Verbundsicherheitsglas im Kontext des Kopfaufpralls auf die Windschutzscheibe von Kraftfahrzeugen. Ziel der Untersuchungen ist die Implementierung eines nicht-lokalen Versagensmodells für Verbundsicherheitsglas zur Verbesserung der Prognose von Bruchvorgängen durch die Methode der Finiten Elemente in Kombination mit der Methode der Elementlöschung zur Rissdarstellung.

Christian Alter

Backmatter

Titel: Nicht-lokale Versagensformulierung zur Simulation des spannungsratenabhängigen Bruchverhaltens von Verbundsicherheitsglas und ihre Anwendung beim Kopfaufprall auf Windschutzscheiben
verfasst von: Dr. Christian Alter
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-25286-1
Print ISBN: 978-3-658-25285-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-25286-1