Fachkreis Mechanik und Simulation

Forschungsziel

Die computergestützte Mechanik ermöglicht heute in den verschiedensten fertigungstechnischen Disziplinen durch numerische Simulationen ein erhöhtes Prozessverständnis, welches sowohl zur Neuentwicklung als auch zur Verbesserung und Optimierung bestehender Produkte und Fertigungsverfahren führt. Dabei hat die Leistungszunahme der Rechnerarchitekturen in den letzten zehn Jahren zu einer Steigerung der Genauigkeit und Komplexität bei der Modellierung und Simulation selbst mehrstufiger Fertigungsprozesse geführt.
Eine gesteigerte Komplexität liegt auch bei der Behandlung der in diesem Kontext betrachteten Eigenspannungszustände vor. Um diese Effekte für die Eigenschaftsverbesserung von umformtechnisch hergestellten Bauteilen zu nutzen, ist eine ganzheitliche Analyse und Berechnung der Eigenspannungen aufgrund der skalenübergreifenden Zusammenhänge erforderlich.

Die Komplexität dieser Aufgabe soll durch den stetigen Austausch und die intensive Zusammenarbeit von Wissenschaftlern an zehn deutschen Universitäten bewältigt werden.
So sind für die numerische Charakterisierung von Eigenspannunsgzuständen 1., 2. und 3. Art geeignete Materialmodelle auf unterschiedlichen Skalen zu entwickeln, welche sowohl die Einflüsse von mechanischen und thermischen Belastungen auf die Materialien (z.B. Umwandlungsprozesse, Versetzungsanreicherung) als auch die Interaktion zwischen den verschiedenen Phasen innerhalb eines Materials (z.B. Volumensprung bei einer Phasenumwandlung) berücksichtigen.
Durch eine solche texturbasierte, mikromechanische, multiskalige Materialmodellierung sollen Erkenntnisse über die Interaktion zwischen Prozessparametern, Eigenspannungen und dem Versagensverhalten gewonnen werden, welche den Weg hin zu einer verbesserten Bauteilqualität ermöglichen sollen. Die Durchführung von Benchmark-Simulationen unter der Verwendung der in den Teilprojekten verwendeten Homogenisierungsmethoden, sowie der Abgleich mit experimentellen Untersuchungen erlaubt hierbei die Validierung der mikrostrukturellen Simulationen.

Bisherige Ergebnisse

Die grundlegende Aufgabe des Fachkreises besteht in der intensiven Vernetzung der Arbeitsgruppen im SPP2013, welche mit den Werkzeugen der Mechanik und Simulation die gezielte Einbringung und Nutzung von Eigenspannungen numerisch abbilden und analysieren. Zur gemeinsamen Darstellung der Forschungsergebnisse aus den Projekten im Kontext der Fachkreisthematik wurde ein Sonderband im Journal „Archive of Applied Mechanics“ unter der Titel „Forming Induced Residual Stresses - Experiment, Modelling, Simulation“ mit 16 Beiträgen aus den Projekten organisiert. Dabei sind auch einige projektübergreifende Beiträge vorhanden, welche unter anderem durch die enge Abstimmung innerhalb des Fachkreises entstanden sind. Darüber hinaus wurden unter der Leitung des Fachkreises die drei folgenden Benchmarks entwickelt:

Zyklische Biegung eines Balkens im Vier-Punkt-Biegeversuch
Einfluss der Textur bei der numerischen Analyse umformtechnisch hergestellter dünnwandiger Blechbauteile
Berücksichtigung von kristallographischen Texturen bei der Eigenspannungsanalyse und bei der numerischen Simulation anhand eines überelastisch beanspruchten Torsionsstabes

Diese Problemstellungen ermöglichen es allen SPP2013-Projekten, ihre entwickelten Simulationsansätze untereinander zu vergleichen und mit experimentellen Resultaten zu validieren. Die hierfür notwendigen experimentellen Untersuchungen wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Fachkreis „Werkstoffe, Betriebsfestigkeit, Mess- und Prüftechnik“ abgestimmt und koordiniert. Die Bearbeitungsdauer für alle Benchmarks ist aufgrund des jeweiligen
Umfangs für die 2. und 3. Förderperiode ausgelegt.

Veröffentlichungen

S. F. Maassen, H. Erdle, S. Pulvermacher, D. Brands, T. Böhlke, J. Gibmeier, J. Schröder; Numerical characterization of residual stresses in a four-point-bending experiment of textured duplex stainless steel. Archive of Applied Mechanics, accepted for publication (2021)

B.-A. Behrens, J. Gibmeier, K. Brunotte, H. Wester, N. Simon, C. Kock; Investigations of residual stresses within hot bulk formed components using FE simulation and contour method. Metals, 2021. accepted for publication (2021)

Leitung

Prof. Dr.-Ing. Markus Kästner