Mehr Fußgängerschutz durch XFEM-Glasbruch-Simulation

Szenarien wie der Kopfaufprall eines Fußgängers auf die Windschutzscheibe werden bei der Entwicklung von Fahrzeugen berechnet und simuliert. So soll die Sicherheit von Fußgängern realistisch eingeschätzt werden – eine Basis für die weitere Optimierung. Doch der Glasbruch beim Kopfaufprall auf die Windschutzscheibe ist nach wie vor mit den bisher gängigen Berechnungsmethoden schwierig darzustellen. TECOSIM hat sein bisheriges FLD-Glasbruch-Simulationsmodell jetzt um XFEM erweitert und das Verfahren so weiter verbessert.

Simulationsmodell und realer Test: Eine sichere Vorhersagegenauigkeit ist wichtig, um in der Fahrzeugentwicklung frühzeitig den Fußgängerschutz optimieren zu können.

In der Automobilindustrie kommt Verbundsicherheitsglas vor allem bei Windschutzscheiben und Panoramadächern zum Einsatz. Bei der Fahrzeugentwicklung gewinnt dieses Material auch mit Blick auf den immer stärker berücksichtigten Fußgängerschutz an Bedeutung: Crash-Szenarien wie der „Kopfaufprall auf die Windschutzscheibe“ werden bei der Auslegung der Fahrzeugsicherheit berechnet und simuliert. Anhand der Ergebnisse soll der Einfluss auf die Sicherheit von Fußgängern realistisch eingeschätzt werden – eine Basis für die weitere Optimierung. Doch der Glasbruch beim „Kopfaufprall auf die Windschutzscheibe“ ist nach wie vor mit den bisher gängigen Berechnungsmethoden schwierig darzustellen.

Modellerstellung und Simulation von Verbundsicherheitsglas


TECOSIM befasst sich bereits seit einigen Jahren in Zusammenarbeit mit Automobil- und Glasherstellern mit dem Thema Modellerstellung und Simulation von Verbundsicherheitsglas. Der Spezialist für Computer Aided Engineering ist seit 2011 dauerhafter Gast im Arbeitskreis „Verbundglas“ der Forschungsvereinigung Automobiltechnik. Im Rahmen eines Forschungsprojektes hat TECOSIM in enger Kooperation mit Ford ein erweitertes Verbundglasmodell entwickelt. In diesem wurden die unterschiedlichen Materialeigenschaften von Glas und der Polyvinyl-Butyral-Folie (PVB) detailliert berücksichtigt, beispielsweise das Verhalten von Glas unter Druck- und Zugbelastung und die Schubsteifigkeit der PVB-Folie. Aber auch andere Parameter wie die Vorspannung in den Glasschichten, die Vernetzungstechnik und Netzdichte waren Teil der Untersuchungen. Zudem wurde darauf geachtet, negative Einflüsse auf die Rechenzeit und die Handhabbarkeit zu vermeiden. Denn das erweiterte Modell sollte für alle Vollfahrzeug-Crash-Berechnungen einsetzbar sein und sich nicht auf Detailuntersuchungen an Komponenten beschränken.



Vergleich des Glasbruchmodells aus dem Jahr 2008 und dem erweiterten Simulationsmodell 2011: Eine deutliche Weiterentwicklung.

Rissbildung und ihre Darstellung


Die Rissbildung von Verbundglas lässt sich in zwei Phasen unterteilen: Ausgehend vom Kontaktbereich entstehen zunächst strahlenförmig Risse. Diese erscheinen auf der dem Impaktor abgewandten Innenseite der Windschutzscheibe. Anschließend entwickeln sich ausgehend von den strahlenförmigen Brüchen ringförmige Risse konzentrisch um den Kontaktbereich.


Zu Beginn des Forschungsprojekts offenbarte sich bei den Analysen der Rissbildung ein Zielkonflikt, da sich in deren Verlauf die Glas-Versagensgrenze änderte: Während das Modell bis zur ersten Rissbildung zunächst eine gute Übereinstimmung zeigte, konnten im Anschluss die Spannungskonzentrationen an den Rissspitzen nicht realistisch abgebildet werden. Die Aufgabe bestand darin, eine Methode zu finden, die sowohl der hohen Versagensgrenze am Anfang als auch dem reduziertem Versagensniveau in der zweiten Phase der Rissbildung gerecht wurde. TECOSIM entwickelte auf Basis der so genannten Grenzformänderungskurve (Forming Limit Diagram, FLD) in mehreren Schritten eine Optimierung des Windschutzscheibenmodells. Die Grenzformänderungskurve ermöglicht eine Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem Versagen eines Werkstoffs und dem Verhältnis von Haupt- und Nebendehnungen. Mit Hilfe von geschichteten Schalenelementen ließ sich sowohl das spröde Versagen der beiden Glasschichten und die resultierende Rissentwicklung, als auch der elastische Spannungszustand und damit das rissüberbrückende Verhalten der PVB-Folie darstellen. Das entstandene Rissbild wurde deutlich verbessert.


Dieses erweiterte Simulationsmodell ist seit Abschluss des Forschungsprojekts 2011 bei Ford als Standard der Verbundglasmodellierung im Einsatz. 



Das mit XFEM erweiterte Modell (rechts) zeigt nochmals eine wesentliche Verbesserung zum bisherigen FLD-Simulationsmodell (links) und stellt den Glasbruch sehr realitätsnah dar.

Erweiterung der Methode: eXtended-Finite-Element-Method

Auf der Basis der Forschungsprojektergebnisse hat TECOSIM 2013 begonnen, das Glasbruch-Simulationsmodell nochmals weiterzuentwickeln. Denn mit dem Einsatz der eXtended-Finite-Element-Methode, kurz XFEM, ergab sich neues Optimierungspotenzial im Bereich der Rissdarstellung: Diese sollte verbessert werden, um das Bruchverhalten noch genauer und realistischer abzubilden. Auch die Vernetzungstechnik, also der Einsatz von Viereck- oder Dreieckelementen sollte untersucht werden, da sie das entstehende Bruchbild stark beeinflussen.



Bei der XFEM wird die Finite-Element-Methode um spezielle Funktionen erweitert: So kommen zusätzliche Freiheitsgrade an den Knoten der Finiten Elementen hinzu, außerdem werden alle Knoten, deren Einflussgebiet von einem Riss geteilt wird, mit einer Sprungfunktion angereichert. Der Vorteil von XFEM ist, dass sich Risse durch die Elemente abbilden lassen. Dies erhöht die Genauigkeit und kommt in der Darstellung der Realität deutlich näher, da nicht mehr vollständige Elemente versagen und damit quasi eine „Schneise“ mit Elementbreite durch die Scheibe zu ziehen. Denn ein realer Riss hat initial keine Breite. 


Die CAE-Spezialisten setzen die XFEM für die Modellbildung ein und berücksichtigten bei der Simulation des Glasbruchs auch verschiedene Vernetzungsdichten und -techniken. Die Ergebnisse wurden in mehreren Analysen umfassend miteinander verglichen. Das beste Ergebnis zeigte die Darstellung mit Viereckelementen mit vier Millimetern: Das entstandene Bruchbild kommt der Realität sehr nahe, was vor allem daran liegt, dass die Risse nun auch durch ein einzelnes Element abgebildet werden können. Aufgrund der Erweiterung der Element-Formfunktion konnte die Simulationsmethode weiter verbessert und so die Darstellung der Risse und Brüche optimiert werden. Das XFEM Modell wurde im expliziten Solver RADIOSS untersucht. In enger Zusammenarbeit mit dem Softwarehersteller Altair wurde die XFEM Implementierung optimiert und für die nötigen Anwendungen in der Praxis verändert.

 Somit hat TECOSIM nun eine sehr gute Methode zur Abbildung von spröden Bauteilen gefunden, die über ihre Versagensgrenze belastet werden und deren Tragverhalten nach dem Bruch signifikanten Einfluss haben.

Die eXtended-Finite-Element-Method eignet sich hervorragend, um Rissbildung hinreichend genau und ohne signifikanten negativen Einfluss auf Simulationsdauer und Modellierungsaufwand abzubilden.

Mit dem um die XFEM erweiterten Verbundglassicherheitsmodell lassen sich die Auswirkungen eines Kopfaufpralls am Rechner prognostizieren und Verletzungsrisiken deutlich verringern.

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