Reifenversagen bei Small-Overlap-Frontalkollisionen simulieren: Einfluss auf Fahrdynamik

Bei Small-Overlap-Frontalaufprall bilden die äußeren Fahrzeugkanten, die nicht gut durch Deformationszonen geschützt sind, den Hauptlastpfad. Reifen und Räder sowie das Federungssystem sind meist der Aufprallkraft ausgesetzt. Die Reifen, die vom starren Barrier getroffen werden, platzen meist – mit Rissbildung an Reifen und Rad sowie Verlust der Luftdichtheit durch De-Beading. Der Reifenplatzer beeinflusst Kinematik und Verformung der Fahrzeugfederung und damit die Crashperformance.

Die Berücksichtigung des Druckabfalls durch Reifenplatzer ist essenziell für die präzise Vorhersage der Crashantwort des Fahrzeugs. Daher ist die Modellierung des Reifenplatzers – verursacht durch Materialschaden und/oder De-Beading durch Dichtsitzverlust zwischen Reifen und Felge – entscheidend für die Replikation des Small-Overlap-Crashereignisses. Dieser Artikel stellt die Finite-Elemente-Modellierung von Reifen in Abaqus zur Berücksichtigung von Reifenplatzer in Crashsimulationen vor.

Reifenmodellierung

Schritt 1: Erstellung eines zweidimensionalen axisymmetrischen Reifen-Aufblasmodells. Dies umfasst:

• Modellierung von Reifenlaufband und Seitenwand mit axisymmetrischen Volumenelementen
• Modellierung von Reifengürtel und Karkasse mit eingebetteten axisymmetrischen Flächenelementen
• Rad mit axisymmetrischen Schalelementen

Schritt 2: Erzeugung eines symmetrischen dreidimensionalen Reifenmodells durch Rotation des 2D-Modells am Ende der Aufblasanalyse um 360 Grad. Mit dem Parameter „FILE NAME“ der *SYMMETRIC MODEL GENERATION-Option in Abaqus/Standard wird ein 3D-Modell mit der Erweiterung .axi erstellt – inklusive Knoten-, Element- und Sektionsdefinitionen.

Modellierung des Reifenplatzers

Das Schlüsselfeature zur Replikation des Reifenplatzers ist die Modellierung der zwei Versagensmechanismen: Materialriss in Reifen und Felge sowie De-Beading. Daher müssen folgende Modifikationen am 3D-Reifenmodell vorgenommen werden:

• Reifenseitenwand und Felge als zwei separate Teile modellieren, um Trennung für De-Beading zu ermöglichen
• Stahldraht (Bead) so modellieren, dass ausreichend Widerstand und Reibung bestehen, um den Reifen bei vorgeschlagenem Druck intakt zu halten – hier mit 3D-Balkenelementen

Materialeigenschaften von Laufband und Seitenwand müssen destruktiven Schaden des Gummis bei Aufprall erfassen – wodurch Öffnungen entstehen, durch die Luft entweicht und der Reifen platzt. Je nach Bedingungen (Aufprallwinkel, -geschwindigkeit) kann entweder Mechanismus den Platzer auslösen. Welcher der beiden – Materialriss oder De-Beading – zuerst eintritt, wird von Reifenplatzer und schnellem Druckabfall gefolgt, mit Verlust der Unterstützung für die Fahrzeugfederung.

Das Abaqus Fluid Cavity Feature modelliert den Innendruck des Reifens. Ein geschlossenes Volumen wird durch Flächenelemente definiert, die die Reifen- und Felgeninnenseite bedecken und Knoten mit der internen Knotenschicht teilen. Der Reifendruck korreliert mit dem geschlossenen Volumen. Für Materialversagen werden hyperelastisches Material mit Schadenskriterien für die Gummieigenschaften von Laufband und Seitenwand verwendet. Bei Materialschaden und Elemententfernung werden die darunterliegenden Flächenelemente frei, nach außen gedrückt zu werden.

Das Fluid-Cavity-Volumen wächst rapide, der Reifendruck fällt. Für De-Beading wird der Kontaktbereich Reifen-Felge so modelliert: Der Ring von Flächenelementen auf der Felge, an dem die Seitenwand anliegt, wird feiner remesht – es entstehen zwei Lagen freier Knoten im Fluid-Cavity-Volumen. Zwei Ringe von Schalelementen mit vernachlässigbarer Steifigkeit werden hinzugefügt, die Knoten mit den beiden Flächenelementringen teilen. Kontakt wird zwischen den beiden Schalelementringen und der Felge definiert, um die freien Knoten in Position zu halten, solange Reifen und Felge nicht getrennt sind.

Die freien Knoten sind versetzt, um bessere Kontaktbedingungen zu gewährleisten. Beim De-Beading können die freien Knoten durch die Öffnung wandern, das Volumen vergrößern und den Reifen entdrucken. Die roten Linien entsprechen den Flächenelementen mit darunterliegenden Schalelementen, die den Spalt zwischen Reifen und Felge schließen – ein geschlossenes Volumen für die Fluid Cavity.

Simulationsergebnisse

Vertikaler, lateraler und 45-Grad-Aufprall wurden simuliert:

• Vertikaler Aufprall: Impaktor kontaktiert Laufband – Gummi schädigt dort, wo Felge auch das Laufband kontaktiert. Reifenplatzer folgt mit schnellem Druckabfall.
• Lateraler Aufprall: Impaktor kontaktiert Seitenwand – diese trennt sich von der Felge. Reifenplatzer folgt mit schnellem Druckabfall.
• 45-Grad-Aufprall: Sowohl Materialschaden als auch De-Beading treten auf – resultiert in Reifendruckverlust.

Materialversagen trat zuerst bei ca. 4 ms auf, De-Beading folgte bei ca. 4,5 ms auf der anderen Reifenseite, wo die Felge durch Aufprall schneller bewegt wird als die Reifenwand. Die Fluid-Cavity-Druckkurve zeigt: Druck steigt nach Materialschaden weiter an (Luftentweichgeschwindigkeit noch niedriger als Druckanstieg durch Aufprall). Nach 0,5 ms beginnt Druckabfall. Reifen vollständig entleert bei ca. 5,5 ms. Der Platzervorgang dauert insgesamt 1,5 ms vom ersten Materialversagen bis zum Nulldruck.

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