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Werkstoffsimulation

Das Computational Mechanics and Materials Lab (CMM) der Fakultät Maschinenbau an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg setzt im Rahmen des ICME (Integrated Computational Material Engineering) auf Forschung an der Schnittstelle von Werkstoffen und Bauteilen. Dazu werden Modellierungsansätze entwickelt, um den Einfluss der Werkstoffe auf das Bauteilverhalten unter komplexen Belastungsbedingungen mit Hilfe numerischer Werkzeuge und Datenanalyse zu beschreiben.

Das verbesserte Verständnis von Werkstoff- und mechanischem Verhalten soll zu intelligenteren, multifunktionalen, sicheren und nachhaltigen Bauteilsystemen führen. Zu den Hauptthemen gehören u.a. Strukturmechanik, Bruch-, Schädigungs- und Mikrostrukturmodellierung, Optimierung, skalenübergreifende Bauteilanalyse, Ermüdung, Fluid-Struktur-Interaktion  und Biomechanik.

Leistungen

Scherprobe (li.) und Zugprobe (re.) - Simulation vs. Experiment
Scherprobe (li.) und Zugprobe (re.) – Simulation vs. Experiment

Prüfmöglichkeiten und Messverfahren

  • Validierung von Konstruktion und Berechnung durch experimentelle Prüfung unter Betriebsbedingungen
  • Mechanische Charakterisierung von Werkstoffen unter Einsatz von moderner Hochleistungsmesstechnik
  • Kopplung an FE-Strukturanalyse
  • Auswahl von Prüfgeometrien anhand der Bauteilbetriebsbedingungen

    • Spannungszustandseffekte
    • Anwendung gängiger Normung

    Anwendungsspezifische Prüfbedingungen

    • Mechanische Anisotropie
    • Thermische Prüfbedingungen
    • Dehnrateneffekte
    • Zyklische Belastungsarten

Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten

  • Berücksichtigung von nichtlinearem Verformungsverhalten
  • Rissfortschrittssimulation durch Schädigungsmechanische Modelle
  • Finite-Elemente-basierte Multi-Physik-Simulation
  • Rechnerische Lebensdaueranalyse
  • Topologieoptimierung
  • Netzgenerierung zur Nutzung von CT-Daten in FE-Simulationen
  • Erarbeitung skalenübergreifender Modellansätze für Bauteilauslegung
  • Modellbildung

    • Diskretisierung der Bauteilgeometrie
    • Modellgenerierung auf Basis von CT Daten und Ableitung von FE-Netzen
    • Abbildung der Betriebs- und Belastungsbedingungen

    Auswahl linearer oder nicht-linearer Materialmodelle, Formulierung konstitutiver Gleichungen

    • Thermische Effekte
    • Dehnrateneffekte, Viskosität
    • Mechanische Anisotropie
    • Spannungszustandseffekten
    • Anwendung Schädigungsmechanischer Modelle für duktiles und sprödes Versage

    Fluid-Simulationen

    • Abbildung strömungsmechanischer Lasten in Druckbehälter und Pipeline-Anwendungen
    • Berechnung komplexer, thermodynamischer Vorgänge bei der Dekompression von Mehr-Phasen-Gasen

    Multi-physikalische Modelle

    • Transienter Lasttransfer von dynamischen Druckverteilungen
    • Bidirektionale Fluid-Struktur-Analyse

    Identifikation der Modellparameter

    • Numerische Optimierungsverfahren
    • Inverse Paramterbestimmnug

    Designoptimierung von Bauteilen

    • Parametrische Optimierung
    • Topologie-Optimierung
Simulation vs. Experiment eines Kerbschlagbiegeversuchs
Simulation vs. Experiment eines Kerbschlagbiegeversuchs
Fluid-Struktur-Interaktionen während dem Bersten einer Pipeline
Fluid-Struktur-Interaktionen während dem Bersten einer Pipeline
Stent-Expansion: Simulation (li.) und Experiment (CT-Scan, re.) im Vergleich
Stent-Expansion: Simulation (li.) und Experiment (CT-Scan, re.) im Vergleich
Simulation des Stent-Crimp-Prozesses und der anschließenden Ballon-Expansion
Simulation des Stent-Crimp-Prozesses und der anschließenden Ballon-Expansion
Simulation der Ballon-Expansion in einem Arterienmodell
Simulation der Ballon-Expansion in einem Arterienmodell
Simulation eines BDWT (Batelle Drop Weight Tear Test)
Simulation eines BDWT (Batelle Drop Weight Tear Test)

Rechnerischer Bauteilsicherheitsnachweis

Bruchmechanische Bewertung von Bauteilen und Schweißkonstruktionen

  • Kennwertermittlung: Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte durch standardisierte Laborversuche
  • Rechnerischer Ausschluss von Versagensfällen
  • Bewertung und Auswirkungen von vorhandenen Schwachstellen und Rissen

Lebensdaueranalysen unter zyklischen Betriebsbedingungen

  • Analyse des Ermüdungsverhaltens (Rissfortschrittsrate) im LCF und HCF Bereich
  • Numerische Abbildung des Ermüdungsverhaltens

Materialien und Fragestellungen

Materialien

  • Stahl- und Aluminiumlegierungen aus diversen Herstellungsprozessen (Grobbleche, Feinbleche, Additive Fertigung, Schäume)
  • Bodenmaterial
  • Einfache und reiche Erdgase, CO2-Gemische, H2-Gemische, Raumluft, Wasser

Typische Fragen

 

  • Wie kann eine werkstoffgerechte Bauteilauslegung erreicht werden?
  • Welche Materialkennwerte geben Aufschluss über die Bauteilsicherheit unter Betriebsbedingungen?
  • Wie hoch ist die Lasttragfähigkeit des Bauteils nach Anriss oder bei vorhandener Fehlstelle/Defekt?
  • Können die Materialeigenschaften durch Topologieoptimierung eines Bauteils besser ausgeschöpft werden?
  • Welche Laborversuche und Prüfbedingungen sind zur Parametrisierung der numerischen Modelle nötig?
  • In welchem Detaillierungsgrad sind multi-physikalische Belastungsfälle abzubilden?
  • Welche Materialeffekte müssen zur hinreichenden Abbildung des Belastungsfalls berücksichtigt werden?
  • Welches Materialmodell eignet sich zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens im Anwendungsfall?

Branchen & Partner

Medizintechnik

Verarbeitung, Design, Aortenstents, koronare Stents

Projekte: NewGen-Stent, Aortic Gen-i Stent

Baugewerbe

Massiv- und Stahlbau

Maschinenbau

Schweißkonstruktionen, Druckbehälterbau

Energietechnik

Pipelines, Druckkesselanwendungen, Dekompressionsverhalten

Projekte: Rissfortschritt in Pipelines

Automotive

Crash-Simulation, Tiefziehen

Ressourcen

Hochleistungsrechner mit aktueller Hardware-Ausstattung

Softwarepakte:

  • Simulationstools: ANSYS, ABAQUS, MSCOne und LS-Dyna
  • Thermodynamik: GERG-2008
  • Strukturoptimierung: TOSCA
  • CAD-Tools: Catia, Solid Edge, CREO
  • 3D-Bildverarbeitung und Modellgenerierung: Simpleware ScanIP

Peripherie zur Erweiterung der Softwarepakete durch spezielle Material-, Fluid- und Lastmodelle

In Kooperation mit anderen Prüfinstituten:

  • Elektro-mechanische Universalprüfmaschine Zwick Inspektdesk 250kN mit Klimakammer
  • Servo-hydraulische Prüfmaschine zur dynamischen Werkstoffprüfung
  • mikro-, makro-CT

Projekte

Publikationen

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2020

Wiesent, L.; Schultheiß, U.; Lulla, P.; Noster, U.; Schratzenstaller, T.; Schmid, C.; Nonn, A.; Spear, A.

Computational analysis of the effects of geometric irregularities and post-processing steps on the mechanical behavior of additively manufactured 316L stainless steel stents Werkstoffsimulation Artikel

PLOS ONE, 15 (12), S. e0244463, 2020, ISSN: 1932-6203.

Abstract | Links | BibTeX

Wiesent, L.; Schultheiß, U.; Lulla, P.; Nonn, A.; Noster, U.

Mechanical properties of small structures built by selective laser melting 316 L stainless steel – a phenomenological approach to improve component design Werkstoffsimulation Artikel

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 51 (12), S. 1615–1629, 2020.

Abstract | Links | BibTeX

Keim, V.; Paredes, M.; Nonn, A.; Münstermann, S.

FSI-simulation of ductile fracture propagation and arrest in pipelines: Comparison with existing data of full-scale burst tests Werkstoffsimulation Artikel

International Journal of Pressure Vessels and Piping, 182 , S. 104067, 2020, ISSN: 0308-0161.

Abstract | Links | BibTeX

2019

Keim, V.; Nonn, A.; Münstermann, S.

Application of the modified Bai-Wierzbicki model for the prediction of ductile fracture in pipelines Werkstoffsimulation Artikel

International Journal of Pressure Vessels and Piping, 171 , S. 104 - 116, 2019, ISSN: 0308-0161.

Abstract | Links | BibTeX

Wiesent, L.; Schultheiß, U.; Schmid, C.; Schratzenstaller, T.; Nonn, A.

Experimentally validated simulation of coronary stents considering different dogboning ratios and asymmetric stent positioning Werkstoffsimulation Artikel

PLOS ONE, 14 (10), S. 1-25, 2019.

Abstract | Links | BibTeX

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