Detta examensarbete är en del av avslutningen på civilingenjörsprogrammet maskinteknik med inriktning beräkningsteknik vid Luleå Tekniska Universitet och arbetet är förlagt hos Gestamp HardTech AB i Luleå. Examensarbetet avhandlar främst digital modellering av polymerskum för tillämpning inom numerisk analys och krocksimuleringar. Särskild fokus för utredning och modellering är skum uppbyggda av termoplasten polypropen som inom global industri och vetenskaplig litteratur ofta benämns som EPP från engelskans ”Expanded Polypropylene”. Skumplast används på bred front för tillämpning inom krocksäkerhet och i Gestamp HardTech AB:s verksamhet har skumplast länge nyttjats som energiabsorbent i stötfångarsystem för personbilar tack vare skummaterialens unika egenskaper.

   I termer av simulering och modellering för FEM-analys där skum är inkorporerat så finns det dock en hel del utmaningar. Främst till följd av de ickelinjära och väldigt stora deformationerna som uppstår i skummet samt för att skummet har en helt annan storleksordning på viktiga materialparametrar, exempelvis materialstyvheten, kontra många övriga delar i typiska stötfångarsystem; vilket får stor inverkan vid kontaktmodellering. Resultatet av examensarbetet består i rekommendationer gällande hur skum bör modelleras, alltså val av materialmodeller, mesh, element- och kontaktformuleringar. Vidare så ges även experimentella resultat för indata till valda materialmodeller men även allmänna rekommendationer för fortsatt provning baserat på ISO- och ASTM-standarder rekommenderas.

   En stor emfas ligger också på att utvärdera modeller för numerisk analys gällande hantering av negativa elementvolymer och de olika modellerna utvärderas med avseende på prestanda, noggrannhet, precision samt användarvänlighet. All modellering och simulering sker i huvudsak i LS-Dyna, vilket är en simuleringsmjukvara utvecklad av Livermore Software Technology Corporation (förvärvat 2019 av Ansys, Inc.). Det presenteras också ett förslag på Python-kod för att extrapolera mätdata från kompressionsprovning samt en metod för att validera extrapolationen utifrån förväntad elasticitetsmodul vid höga töjningar. Materialdatan skrivs därefter automatiskt in till en indatafil kompatibel med LS-Dyna när uppsatt noggrannhet uppnåtts.

   This master thesis is written in the mechanical engineering program at Luleå University of Technology, Sweden. The underlying work and investigations which is subject for this report, has been conducted at Gestamp HardTech AB in Luleå, Sweden. This thesis primarily deals with digital modelling of polymer foams for applications in numerical analysis and computational simulation models for crash applications. Main focus regarding choice of foam material for this project are expanded polypropylene, often referred to as simply EPP in the industry and academic literature. Foamed plastics is widely used for crash safety applications and has been used in bumper systems for passenger cars for many years in Gestamp HardTech AB’s operations, due to the foams unique material properties as an energy absorbent.

   Regarding simulations and computational models incorporating foams for FEM analysis, which is the main subject for this report, there are quite some challenges. These challenges are in large due to the highly nonlinear behaviour of foams combined with the naturally occurring large deformations in the foams matrix material when being subjected to various loads. Another parameter to consider is that the foam also has significantly different orders of magnitudes regarding several material parameters compared to other components in typical bumper systems; not least in terms of the material stiffness, which for example has a large effect when including foams in contact modelling simulations. The results of this thesis consists of recommendations regarding how foam generally should be modelled for FEA applications, such as choice of constitutive material models – meshing methods, element formulations and necessary experimental data for defining material parameters. Quasi static and dynamic compression tests of foam has been used following guidelines from available ISO and ASTM standards for this project. 

   A large emphasis for this work was also to evaluate particular computational methods for numerical stability regarding mesh distortions so large that negative element volumes occurs, a common phenomenon associated with large deformations in general which is often the case for foam models in crash applications. The methods for numerical stability are evaluated with respect to computational time management, accuracy, precision and to some degree qualitative objectives in the form of user friendliness. All modelling and simulations were executed through LS-Dyna, a simulation software developed by Livermore Software Technology Corporation (acquired in 2019 by Ansys, Inc.).

   The thesis also presents a proposal for code in Python to extrapolate measurement data from compression testing of foams as well as a method to validate these extrapolations based on the expected modulus of elasticity (in compression) at higher strains. And if a sufficient level of accuracy is reached, the material data is automatically written into LS-Dyna compatible keyword files.