Investigation of Non Linear Dynamic Methods for a Vehicle Crash Structure Optimization

Crash Simulationen sind mit den heutzutage üblichen Werkzeugen sehr zeit- und damit kostenintensiv. Eine Optimierung eines solchen Verhaltens würde dementsprechend viel Zeit in Anspruch nehmen. Diese Arbeit wendet sich dem Programm Visual Crash Studio (VCS) zu, dass einen Zeitvorteil im Berechnen von Crash-Verhalten verspricht. Aufgrund dieser Zeit-Ersparnis soll nun die Optimierung mit VCS untersucht werden. Um das Zusammenspiel mit VCS und der Optimierungssoftware Altair Hyperstudy zu prüfen wurde ein kleiner Teil einer Fahrzeugstruktur die so genannte Crash-Box verwendet. VCS basiert auf analytischen Gleichungen, die die Energieabsorption bei der Faltenbildung von dünnwandigen Bauteilen berechnen. Die Optimierungssoftware verwendet einen Adaptive Response Surface Method (ARSM) Algorithmus. Um das Optimum zu finden werden nur Querschnitts Parameter wie die Wandstärke und Seitenlängen verändert. Die Winkel hingegen werden aufgrund eines komplexen Zusammenhangs mit der Faltung nicht variiert. Somit wurde die Optimierung auf rechteckige und sechseckige Querschnitte beschränkt. Im Nachhinein wurden die Ergebnisse von VCS mit LS-Dyna, einem Finite Elemente (FE) Programm validiert. Die Optimierungsergebnisse zeigen einen langen dünnen Entwurf einer Crash Box, welcher anfällig für Biege- und nicht Axiale Belastungen ist. Dies liegt an der Betrachtung von nur einem Lastfall. Der Vergleich der Ergebnisse von VCS und einem explizit gerechneten LS-Dyna (ein FE-Programm) Simulation zeigt einen relativen Fehler von 10% in Abhängigkeit der Netzgröße. In Anbetracht der Ergebnisse ist die Optimierung mit VCS ein guter Weg, die Entwicklungszeit zu senken. VCS ist beim Modellaufbau ein einfacheres Werkzeug, da Einstellungen wie Netz, Elementtypen und Kontaktbedingungen nicht notwendig sind. Diese Einfachheit und die gute Übereinstimmung mit gängigen FE-Codes sind vielversprechend in der Vorhersage von Crash Verhalten. Today the crash behavior prediction of vehicle structures with present tools is a time and therefore cost intense task. Thus, an optimization of such behavior takes even longer. This thesis examines the use of visual crash studio (VCS), a tool which promises a reduction in time for the simulation of crash behavior. With a reduction in time using VCS it is worthwhile to investigate and implement an optimization of crash structure using VCS. The optimization of a small part of a vehicle structure is carried out to analyze the usage of VCS together with the optimizer Altair Hyperstudy. However, VCS uses analytical equations to calculate the energy absorption of thin walled structures during folding, optimization uses an adaptive response surface method (ARSM) on a simple crash box model. To gain an optimum the wall thickness and cross section lengths were varied. Due to a complex connectivity of cross section angles with the folding behavior, the optimization covers only a rectangular and a hexagonal crash box. The results are verified by a finite element (FE) simulation using LS-Dyna. On the basis of a single axial load case the optimization results show an unconventional small cross-section column but with thick walls, which is weak in bending or for oblique loadings. The VCS results when compared to an explicit LS-Dyna simulation show that a difference of smaller than 10% occurs when using a simple cross-section shape. It is shown that optimization with VCS for simple cross-section dimensions under a specific load case is a good way to reduce costs during the early development. By not having complications with mesh dependencies, element types and contacts VCS is an easy way to treat crash problems. Thus the simple way to use VCS in combination with other more traditional FE software is promising for future crash behavior prediction. VCS may be used as initial tool where simplifications can be made.