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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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2006

Bajric, A.; Dahl, W.

Failure Behaviour of Hybrid-Laser Welds Werkstoffsimulation Inproceedings

Fracture of Nano and Engineering Materials and Structures Fracture of Nano and Engineering Materials and Structures, Proceedings of the 16th European Conference on Fracture, Alexandroupolis, Greece, 2006.

BibTeX

Bajric, A.; Dahl, W.

Numerical modelling of damage beahviour in laser-hybrid welds Werkstoffsimulation Inproceedings

9th European Mechanics of Material Conference (EUROMECH-MECAMAT 2006), Local Approach to Fracture, Moret-Sur-Loing, France, 2006.

BibTeX

2005

Bajric, A.; Brocks, W.; Dahl, W.; Heyer, J.; Langenberg, P.

Experimental and Numerical Investigations of the Failure Behaviour of Hybrid Laser Welds Werkstoffsimulation Inproceedings

4th German-Japanese Seminar „Materials, Processses and Components“, University of Karlsruhe, Germany, 2005.

BibTeX

Bajric, A.

Numerical simulation of crack extension in electron-beam and hybrid-laser welds Werkstoffsimulation Inproceedings

ESIS TC1/TC8 Meeting, Serco Assurance, Warrington, United Kingdom, 2005.

BibTeX

Bajric, A.; Brocks, W.; Dahl, W.; Heyer, J.; Langenberg, P.

Investigations of failure behaviour of flawed steel specimens with electron beam welds (EBW) Werkstoffsimulation Inproceedings

11th International Congress on Fracture (ICF11), Turin, Italy, 2005.

BibTeX

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