Modellering av kompressionsbrott i kompositer vid krock
- Diarienummer
- SM20-0058
- Start- och slutdatum
- 210101-230630
- Beviljat belopp
- 1 090 904 kr
- Förvaltande organisation
- FS Dynamics Sweden AB
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Genom att introducera kolfiberkompositmaterial i strukturella bilkomponenter kan två fördelar erhållas: en ökad potential för energiabsorption vid krock och en samtidig sänkt fordonsvikt och därmed minskad bränsleförbrukningen. En viktig förutsättning för en övergång till dessa material är dock tillgänglighet av beräkningsverktyg som möjliggör effektiv simulering av dess beteende i en krock. Det föreslagna projektet bygger på den omfattande forskning som redan sker i samarbete mellan Chalmers, RISE och industriella parter, och som har syftet att utveckla nödvändiga beräkningsverktyg. Det huvudsakliga målet med projektet är att förbättra redan existerande modeller och metoder för att bättre kunna fånga den materialkrossning som sker, och samtidigt beakta de industriella krav som finns på robusthet och effektivitet. Vi definierar 3 konkreta mål: •"Mål 1: Omformulering av skadeutveckling i kompression för att bättre fånga krossning vid krocklaster •"Mål 2: Inkludering av effekt av transversell skjuvspänning på kompressionsbrottspänning •"Mål 3: Utvärdering av modellförbättringar via jämförelse med experimentella resultat Vi förväntar oss att leverera en verifierad implementering av en materialmodell som, jämfört med existerande state-of-the-art-modeller, bättre beskriver krossningen av kolfiberkompositer. Därmed möjliggör vi för våra industriella parter att utveckla och tillverka säkrare och samtidigt lättare bilar via en simuleringsbaserad produktutvecklingsprocess.
Populärvetenskaplig beskrivning
Så kallade avancerade polymerkompositer, alltså plast förstärkt med kontinuerliga, höghållfasta fibrer som kolfibrer eller glasfibrer används idag mest i flyg och sportindustrin. Den här typen av material är dock i framtiden även intressanta för bilindustrin eftersom de förstärkta med kolfibrer har potential att halvera vikten på den bärande strukturen i bilen som idag tillverkas i stål eller i undantagsfall av aluminium. Detta skulle leda till en stor minskning av energiförbrukningen hos bilar och därmed också minskade utsläpp hos fossildrivna förbränningsmotorfordon och längre räckvidd för elbilar. Det finns naturligtvis många hinder som t.ex. kostnad, tillverkningstakt och behov av nya konstruktionslösningar för att införa kompositer i bilindustrin. Ett annat problem är att produktutveckling sker i datorer utan fysiska prototyper vilket kräver beräkningsverktyg för att kunna prediktera hur strukturen uppför sig i t.ex. en krock. Beräkningstekniskt är utmaningen att kompositstrukturer uppför sig på ett helt annat sätt än stålstrukturer. En stålstruktur för krock deformeras bara kraftigt men materialet går inte sönder, man kan jämföra det med när man ställer sig på en läskburk. En komposit är spröd och går sönder plötsligt utan större deformationer. Man kan fortfarande få kompositstrukturer som äter mer energi än stål i en krock men det bygger på att materialet i princip krossas till små bitar snarare än bara kollapsa. Detta gör att kompositer behöver behandlas (modelleras) på ett helt nytt sätt i beräkningsverktygen. Kolfiberkompositer är det material som har högst potential att sänka vikten på en bilstruktur eftersom fibrerna är både väldigt lätta och starka när man drar i dem. När kolfiberkompositen trycks ihop, alltså när belastningen är i kompression istället för drag, klarar dock inte plasten att stödja fibrerna utan de kollapsar långt innan belastningen är hög nog för att fibrerna skall gå av. Detta gör att kompositer, och speciellt kolfiberkompositer, klarar mycket lägre belastningar i tryck än i drag. Fördelen är dock att om materialet är tillräckligt instängt så att det inte fritt kan försvinna iväg någonstans kan man fortsätta att trycka ihop och krossa materialet under en nästan konstant belastning. Detta förlopp är vad som händer i en krocksituation och vad vi i detta projekt försöker utveckla nya och modifiera existerande modeller för att bättre kunna beskriva.