FE-Crashsimulation eines NFZ Führerhauses nach ECE R29

Crashsimulation | NFZ-Kabine nach ECE R29

FE-Crashsimulation eines NFZ Führerhauses nach ECE R29 | Prüfung A

Aachen, 30.09.2019

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die FE-Crashsimulation einer Kabine eines Nutzfahrzeuges nach der ECE R29 ein.

Ein wesentliches Merkmal von FE-Crashsimulationen in der Fahrzeugtechnik ist die Überprüfung der Crashsicherheit. Die Crashsicherheit umfasst die Fähigkeit der Fahrzeugstruktur die Bewegungsenergie beim Aufprall möglichst in plastische Verformungsenergie umzusetzen, wobei der Fahrzeuginnenraum davon weitestgehend unbeeinträchtigt und intakt verbleiben soll. Es ist somit sicherstellen, dass die Fahrzeuginsassen keine Verletzungen insbesondere durch Quetschungen erfahren müssen.

Die FE-Crashsimulation beruht auf der nicht-linearen transienten Finite-Elemente-Simulation. Die zeitschrittweise Aufstellung und Aktualisierung der Finite-Elemente-Systemgleichungen durch numerische Integration und anschließende Lösung dieser Systemgleichungen erfolgt dabei über ein explizites Verfahren.

Bei dem expliziten Lösungsverfahren ist die Wahl der Zeitschrittweite entscheidend für die Genauigkeit der Simulationsergebnisse. Die Zeitschrittweite sollte entsprechend klein gewählt werden. Die bei der FE-Crash-Simulation hingegen max. mögliche Zeitschrittweite wird durch die Elementgröße des kleinsten Elements im Finite-Elemente-Modell bestimmt. Die Zeitschrittweite errechnet sich aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (beispielsweise bei einer Schockwelle) im Material und der Elementgröße. Somit ist bei der Finite-Elemente-Vernetzung der Fahrzeugstruktur zu beachten, dass die Elementierung keine zu kleinen Elementgrößen aufweist, da dies zu sehr großen Rechenzeiten führen kann; hierbei sollte zur Absicherung eine Konvergenzanalyse durchgeführt werden, die untersucht ab welcher Elementgröße keine signifikanten Änderungen der berechneten Verformungen und Dehnungen mehr auftreten.

Nutzfahrzeuge respektive Zugmaschinen, die wie in Europa üblich ohne langen Frontverbau konstruiert und produziert werden, besitzen den Nachteil, dass das Fahrerhaus nur über einen kurzen Deformationsweg bei einem frontalen Aufprall verfügt. Beim frontalen Crash ist daher sicherzustellen, dass das Fahrerhaus ohne Frontverbau einen genügenden Überlebensraum für die Insassen gewährleistet.

Die ECE (Economic Commission for Europe) Regelung R29 dient hierbei dem Schutz der Insassen des Fahrerhauses von Nutzfahrzeugen. Die Prüfung nach ECE R29 umfasst drei Prüfungen. Bei Prüfung A wird untersucht, wie sich das Fahrerhaus nach einem Frontalaufprall deformiert. Prüfung B betrifft die Festigkeit der Frontsäulen (Einschlag eines Pendels mit einer kinetischen Energie von 29,4 kJ) und bei Prüfung C wird die Deformation des Daches unter einer Dachlast von 10 t ermittelt.

Voruntersuchungen an der bestehenden Fahrerhausstruktur haben ergeben, dass der Crashtest der entsprechend Prüfung A durchgeführt wird, kritisch ist. D.h., es wurde die Möglichkeit von Verletzungen im Fußraum der Fahrerkabine festgestellt.

Um aufwendige weitere Tests an der realen Kabine zu vermeiden, wurde die FE-Crashsimulation für die Prüfung A eingesetzt.

Das dieser Pressemitteilung angehängte Bild zeigt auf der linken Seite den Versuchsaufbau für die Prüfung A (Frontalaufprallprüfung). Das Schlagpendel trifft bei dieser Prüfung mit einer definierten kinetischen Energie von 55 kJ auf das Fahrerhaus. Auf der linken Seite ist die Deformation des Führerhauses (Schnittdarstellung) erkennbar. Es ist ersichtlich, dass die Struktur im Bereich des Fußraumes zu stark deformiert, so dass Verletzungen des Fahrers an Füssen und Beinen erfolgen würden. Auch bewegt sich aufgrund der Strukturnachgiebigkeit die Lenksäule in Richtung des Oberkörpers des Fahrers, was zu zusätzlichen Verletzungen führen würde.

Es wurden daher im Fußraum Maßnahmen zur Erhöhung der lokalen Struktursteifigkeit und somit zur lokalen Verformungsreduzierung vorgenommen, die sicherstellen, dass keine Verletzungen des Fahrers auftreten können.

Prüfung A mittels Schlagpendel | 55 kJ

Elastisch-plastische Deformation