Eine Schnittstelle zur gekoppelten Simulation eines Trefftz-Elements mit LS-Dyna

Die stetig wachsenden Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Kosteneffizienz stellen die Automobilindustrie vor große Herausforderungen. Zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses setzen viele Fahrzeughersteller verstärkt auf die Weiterentwicklung von Simulationswerkzeugen. Insbesondere die korrekte Prognose des Versagens von Verbindungstechniken und des Risswachstums im Rahmen von Crash‐Simulationen ist dabei von entscheidender Bedeutung. Die besondere Schwierigkeit bei der Beschreibung dieser Versagensphänomene liegt in der hohen Spannungslokalisierung, die mit Hilfe der expliziten Finite‐Elemente‐Simulation mit Standard‐Schalenelementen aufgrund des Courant‐Friedrich‐Levy‐Kriteriums nur schlecht abgebildet werden kann. Die nötige Verfeinerung des Netzes an den kritischen Stellen ist aufgrund des damit verbundenen starken Anstiegs der Rechenzeit in der Praxis kaum möglich. Eine alternative Methode zur Abbildung der hohen Spannungslokalisierung, die ohne Netzverfeinerung auskommt, bietet die Hybride Trefftz‐Methode (HTM). Das Grundprinzip dieser Methode besteht darin, die nötige hohe Auflösung der Spannungen/Dehnungen durch den Einsatz von speziellen Elementen mit optimal angepassten Ansatzfunktionen an kritischen Stellen der Struktur (z.B. Schweisspunkte, Nietverbindungen oder Rissspitzen) zu erreichen. In diesem Beitrag wird diese Methode am Beispiel der Rissausbreitung mittels eines hybriden Trefftz‐Rissspitzenelements präsentiert. Das Rissspitzenelement ist in Matlab implementiert und kommuniziert mit dem umgebenden LS‐Dyna‐Netz über eine TCP/IP‐Socket Schnittstelle. Dabei werden in jedem Berechnungsschritt entlang der Berandung des Trefftz‐Element‐Bereichs Knotenverschiebungen und –kräfte zwischen LS‐Dyna und Matlab ausgetauscht. Um eine Rissausbreitung über größere Bereiche der Bauteilstruktur simulieren zu können muss das Trefftz‐Element im Zuge der Simulation seine Position ändern, bzw. zuvor vorhandene Standard‐Elemente ersetzen können. Seitens LS‐Dyna stehen zur Realisierung dieser flexiblen Kommunikation die User‐Subroutines „uctrl1“ und „loadud“ zur Verfügung. Die vorgestellte Kopplung über TCP/IP‐Sockets kann auch an andere Simulationswerkzeuge angepasst werden und ermöglicht damit ein breites Spektrum an Anwendungen.