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Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI

Materialmodellierung

Motivation

»Alle Modelle sind falsch. Manche Modelle sind nützlich.« George E. P. Box

Die Qualität von FE-Simulationen in Crash- und Impaktanwendungen kann nur so gut sein wie die theoretische Modellierung der involvierten Materialien. Die Vielzahl an Werkstoffen in den Bereichen Automobil und Luft- und Raumfahrt nimmt stetig zu – hauptsächlich auf Grund neuer Leichtbaukonzepte. Häufig können in kommerziellen FE-Codes implementierte Materialmodelle das komplexe mechanische Verhalten solch neuer Werkstoffe nicht korrekt abbilden. Das Ernst-Mach-Institut, EMI, entwickelt deshalb neue konstitutive Modelle für solch unterschiedliche Materialien wie Schäume, faserverstärkte Kunststoffe, Metalle oder Gewebe.

Mesomechanische Simulation

"Meso" vs. Continuum

Mesomechanische Simulationen können äußerst hilfreich bei der Modellierung heterogener Strukturen sein. Sie können entweder für die virtuelle Materialcharakterisierung verwendet werden, um eine Grundlage für neue Kontinuumsmodelle zu schaffen, oder innerhalb eines Multiskalenansatzes. Zunächst muss die mesoskopische Struktur in geeigneter Weise diskretisiert werden. Repräsentative Volumenelemente, RVE, werden beispielsweise aus Daten der Computer-Tomographie gewonnen.

Kontinuumseigenschaften

Mit Hilfe multiaxialer Simulationen an den RVE können unter beliebigen Spannungszuständen die Eigenschaften des Kontinuums bestimmt werden, zum Beispiel die Fließfläche, die Verfestigung oder das plastische Potential.

Entwicklung von Materialmodellen

Materialcharakterisierung

Zuverlässige Materialdaten sind die Basis einer jeden Materialmodellierung. Am EMI können Werkstoffe numerisch, zum Beispiel innerhalb einer mesomechanischen Simulation, oder experimentell charakterisiert werden. Typischerweise werden dabei die folgenden Parameter berücksichtigt:

• Belastungsgeschwindigkeit (Dehnrate)
• Belastungsrichtung (Anisotropie)
• Temperatur
• Spannungszustand.

Konstitutive Beschreibung


Ausgehend von der Materialcharakterisierung können bestehende Materialmodelle erweitert oder neue konstitutive Formulierungen entwickelt werden. Die zu modellierenden physikalischen Phänomene sind in der Regel:

• Elastizität
• Plastizität
• Viskosität
• Schädigung und Versagen.

Erstellung von Materialkarten

Auswahl des Materialmodells

Das Fraunhofer EMI bietet die Erstellung von Materialkarten für FE-Codes wie Abaqus, ANSYS AUTODYNTM, LSDYNATM oder PAM-CRASH. Auf Basis der Daten aus der Materialcharakterisierung wird ein geeignetes Modell ausgewählt, welches in der entsprechenden Software implementiert ist.

Ableitung der Materialkarte

Die relevanten Eingabeparameter werden aus Daten der Materialcharakterisierung (zum Beispiel Spannungs- Dehnungs-Kurven) hergeleitet. Die Validierung der Materialkarten erfolgt anhand von Simulationen der Charakterisierungsversuche. Für eine zusätzliche Validierung sind Bauteiltests und deren Simulation möglich.

 

 

Inhomogenitäten

Modellierung und Mapping

Materialeigenschaften können innerhalb einer Probe oder eines Bauteils variieren. Ursache dafür sind häufig herstellungsbedingte Inhomogenitäten. Beispielsweise können sich die Dichte und der Orientierungstensor der Fasern in einem faserverstärkten Kunststoff ortsabhängig ändern. Bei Schäumen entsprechen diese Größen der Porosität und der Porengrößenverteilung.

Der Einfluss der Inhomogenitäten auf die mechanischen Eigenschaften kann in einer konstitutiven Beschreibung berücksichtigt werden. Ein Mapping der Eigenschaften aus dem Herstellungsprozess erlaubt dann auch für solche Materialien realistische Simulationen.