| dc.description.abstract | Denne masteroppgaven har som mål å etablere og forbedre en elementmetode (FE) modell som fanger opp oppførselen til en bilfelg utsatt for støtlast, ved bruk av “state-of-the-art” modelleringsteknikker. Utvikling er en del av et pågående prosjekt ved Centre of Advanced Structural Analysis (SFI CASA) i samarbeid med Audi AG. Både eksperimentelt og numerisk arbeid ble gjennomført for å validere og forbedre både en eksisterende og nye FE modeller.
Det har tidligere blitt gjennomført omfattende materialtesting på det støpte materialet som felgene er lagd av, og en elastisk-viskoplastisk materialmodell med et Cockcroft-Latham (CL) bruddkriterium har blitt kalibrert. Videre, har en FE modell blitt laget i FE-programvaren Abaqus, en testrigg for støttesting av felger har blitt lagd, og en prosedyre for estimering av krefter ved støtlast har blitt utviklet. Testriggen og prosedyren for beregning av krefter har blitt validert, og fire dynamiske felgtester ble gjennomført.
I dette arbeidet har forbedring av de tidligere FE modellene blitt undersøkt på to forskjellige måter. Først ved å undersøke ytelsen av en tetraedermodell skapt med automatisk generert netting som, om funnet tilfredsstillende, kan lede til betydelig kortere modelleringstid. Videre, ved å forbedre materialmodellen ved å bruke en spenningstilstandsavhengig og probabilistisk bruddmodell, bestående av et utvidet Cockcroft-Latham (ECL) bruddkriterium og en Weibull-distribuert bruddparameter. Ytelse ble evaluert ved sammenligning med fysiske felgtester og de andre FE modellene, under kvasi-statiske og dynamiske lasttilfeller.
Omfattende eksperimentelt og numerisk arbeid ble utført. For å unngå bruken av en prosedyre for kraftestimering, og for å oppnå mer pålitelige eksperimentelle resultater, ble fire felger testet under kvasi-statisk last. Flere materialtester ble gjennomført, både eksperimentelt og numerisk ved forskjellige spenningstilstander for å kalibrere ECL bruddkriteriet. Tre forskjellige utgangspunkts modeller ble lagt i FE-programvaren LS-DYNA. Disse er først og fremst ulike i diskretisering av geometrien, hvorav det var to skall-kube (S-B) hybridmodeller, referert til som “S-B Simple Coupling” og “S-B Full Coupling”, og en modell med tetraeder elementer. Alle modellene ble formulert med CL bruddkriteriet. Forskjellen mellom S-B modellene ligger i grensesnittet mellom skall og kubeelementene i den forstand at kun “S-B Full Coupling” modellen er i stand til å overføre momenter mellom de forskjellige elementtypene.
“S-B Full Coupling” og tetraedermodellen var i stand til å fange de generelle trendene sett eksperimentelt. Samtidig som “S-B Full Coupling” har et klart fortrinn når det kommer til beregningskostnad, har tetraedermodellen en tidsfordel når det kommer til nettgenerering. Når den probabilistiske bruddmodellen ble brukt var “S-B Full Coupling” den eneste nøyaktige modellen. Dette er antatt å være på grunn av størrelseseffekter, ettersom størrelsen på S-B modellen er nærmere volumet til materialprøvestykkene. Størrelseseffekten er også trodd å være grunnen til at spenningstilstands dataen som ble brukt til å kalibrere ECL bruddkriteriet ble vurdert til å være upålitelig. Spenningstilstands dataen var i motsigelse med trendene at bruddtøyning reduseres når triaksialiteten øker, noe som er sett i litteraturen. I hvilken grad dette skyldtes de stokastisk fordelte defektene i det støpte materialet blir videre diskutert.
Til slutt presenteres noen konkluderende bemerkninger og anbefalinger for videre arbeid. | |
| dc.description.abstract | The present thesis aims to establish and improve a finite element (FE) model to accurately capture the behaviour of a car rim subjected to impact loadings, using state-of-the-art modelling techniques. This development is part of an ongoing project at the Centre of Advanced Structural Analysis (SFI CASA) in cooperation Audi AG. Both experimental and numerical work was carried out to validate and improve both existing and novel FE models.
Previously, extensive material testing of the die-cast aluminium rim material has been performed, and an elastic-viscoplastic material model with a Cockcroft-Latham (CL) fracture criterion has been calibrated. Furthermore, a FE model has been established in the FE-software, Abaqus, a test rig for impact testing of rims has been constructed, and a force estimation scheme to estimate rim crushing forces during impact has been developed. The test rig and force estimation scheme have been validated, and four dynamic rim tests were performed.
In the present work, improvements of the previously established FE model were pursued in two separate ways. Firstly, by investigating the performance of an automatically meshed tetrahedral model, which if satisfactory, can significantly cut modelling time. Secondly, by an improvement of the material model, making use of a stress state dependent and probabilistic fracture model, composed by the Extended Cockcroft-Latham (ECL) fracture criterion and a Weibull-distributed fracture parameter. The performance was evaluated by comparison to physical rim tests and the other FE models, in quasi-static and dynamic loading conditions.
Extensive experimental and numerical work was conducted. To avoid the use of a force estimation scheme and to obtain more reliable experimental results, four rims were tested under quasi-static loading. Furthermore, several material tests were conducted experimentally and numerically in different stress states to calibrate the ECL fracture criterion. Three different baseline rim models were established in the FE-software, LS-DYNA, differing mainly in their geometric discretization, two shell-brick (S-B) hybrid models, referred to as S-B Simple Coupling and S-B Full Coupling, and one Tetrahedral model. These models were all formulated with the CL fracture criterion. With the S-B models differing in the interface between the shell and brick elements in the sense that only the S-B Full Coupling model transfers the moment between the element types.
The S-B Full Coupling and the Tetrahedral model were able to capture the general trends seen experimentally. While the S-B Full Coupling model had a clear advantage in computational cost, the Tetrahedral model had the time advantage in meshing. When probabilistic fracture model was included, the S-B Full Coupling was the only accurate model. This is believed to be due to size effects, as the element size of the S-B model was closer to the volume of the material specimens. The size effect is also believed to be the reason why the stress state data, used to calibrate the ECL fracture criterion, is deemed unreliable. The stress state data contradicted the trend that fracture strain decreases as triaxiality increases, as indicated in literature. To what extent the stochastically distributed defects in the die-cast material caused this is further discussed.
Lastly, some concluding remarks and recommendations for further work are presented. | |
