Symulacja dostosowanych do potrzeb właściwości komponentów samochodowych: podejście FEM firmy GEDIA z wykorzystaniem TemperBox®
W kontekście nowoczesnego rozwoju pojazdów integracja dostosowanych do potrzeb procesów hartowania jest decydującym czynnikiem optymalizacji bezpieczeństwa zderzeniowego przy jednoczesnej redukcji masy. Opracowana przez GEDIA technologia TemperBox® umożliwia produkcję elementów stalowych hartowanych tłocznie o lokalnie zdefiniowanych właściwościach mechanicznych – w tym strefach hartowanych martenzytycznie, obszarach o właściwościach plastycznych oraz strefach przejściowych o stopniowanej twardości. Ta zróżnicowana struktura materiału stawia wysokie wymagania wobec symulacji numerycznej, zwłaszcza w odniesieniu do precyzyjnego odwzorowania zachowania strukturalnego pod obciążeniem podczas zderzenia.
Symulacja dostosowanych do potrzeb elementów konstrukcyjnych jest integralną częścią procesu rozwoju produktów GEDIA, który obejmuje definiowanie funkcji, projektowanie CAD, aż po walidację poprzez testy fizyczne. Symulacja FEM pełni tu rolę łącznika między zmianami mikrostrukturalnymi spowodowanymi procesem a oceną wydajności strukturalnej. W szczególności lokalne różnice w twardości, granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i zachowaniu przy uszkodzeniu muszą być prawidłowo przeniesione do modelu symulacyjnego.
Aby odzwierciedlić tę złożoność, firma GEDIA opracowała dwie różne metody symulacji, które są dostosowane do różnych faz projektu. Metoda wysokiej dokładności jest stosowana w fazie walidacji i opiera się na szczegółowych danych wejściowych z symulacji formowania, takich jak rozkład grubości, odkształcenie plastyczne i przebieg twardości. Dane te są przekształcane za pomocą korelacji matematycznych na parametry mechaniczne i przypisywane na poziomie elementów w modelu FE. Dzięki temu można symulować nawet złożone obszary przejściowe z dużą dokładnością – co stanowi decydującą zaletę w przypadku analizy zderzeniowej.
Druga metoda, tzw. metoda fazy koncepcyjnej, jest przeznaczona do wczesnego etapu opracowywania koncepcji. Umożliwia ona szybkie iteracje, nawet jeśli nie są jeszcze dostępne kompletne symulacje formowania. Przypisanie materiałów odbywa się w zależności od strefy, przy czym element jest podzielony na obszary twarde, miękkie i przejściowe. Właściwości mechaniczne są przypisywane na podstawie typowych wartości. Metoda ta zapewnia dobrą równowagę między głębokością modelowania a elastycznością rozwoju.
Walidacja obu metod symulacyjnych odbywa się poprzez quasi-statyczne trójpunktowe próby zginania oraz dynamiczne próby upadkowe. Zgodność między symulowanymi a eksperymentalnymi krzywymi siły i drogi oraz wzorami uszkodzeń potwierdza wysoką jakość prognozowania obu metod. W szczególności metoda wysokiej dokładności wykazuje doskonałe odwzorowanie lokalnie występujących mechanizmów uszkodzeń, podczas gdy metoda fazy koncepcyjnej stanowi solidną podstawę do oceny koncepcji.
Oprócz precyzji technicznej, metodologia symulacyjna GEDIA oferuje również praktyczne korzyści: umożliwia projektowanie komponentów z wieloma strefami plastycznymi, elastyczne dostosowanie szerokości przejścia (między 30 a 70 mm) oraz powtarzalną geometrię bez odkształceń termicznych. Technologia TemperBox® jest ponadto neutralna pod względem czasu cyklu i można ją bez problemu zintegrować z istniejącymi liniami produkcyjnymi. Kolejną zaletą jest możliwość zastąpienia kosztownych płyt spawanych laserowo monolitycznymi, dostosowanymi do potrzeb komponentami.
Podsumowując, strategia symulacji GEDIA dla komponentów TemperBox® pokazuje, jak można z powodzeniem połączyć symulację procesu, modelowanie materiałów i mechanikę strukturalną. Dzięki integracji danych specyficznych dla procesu w symulacji zderzenia osiąga się wysoką dokładność prognoz, co umożliwia bezpieczne i wydajne projektowanie elementów. Indywidualnie dostosowane właściwości nie są już zatem czarną skrzynką symulacji, ale kontrolowaną i optymalizowaną cechą konstrukcyjną nowoczesnej technologii samochodowej.
- Prahel Bhandari, Obliczenia FEM Zaawansowana inżynieria