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Simulation des plastischen Werkstoffverhaltens von Metallen

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Infolge der kristallinen Struktur treten bei Metallen Effekte wie bleibende Verformungen auf, die sich nicht durch ein linear elastisches Gesetz beschreiben lassen. Die Abhängigkeit des Spannungsniveaus von der Deformationsgeschichte und der Lastgeschwindigkeit ist oft besonders ausgeprägt, so dass nichtlineare Werkstoffmodelle notwendig sind, um die plastische Reserve der Metalle zu ermitteln. Als plastische Reserve kann man den Unterschied zwischen einer Traglast und dem ersten Auftreten von Plastizität verstehen oder die Identifikation für das Einspielen von einem plastisch werdenden Bereich bei zyklischer Belastung. Darüber hinaus wird in vielen Richtlinien zu Festigkeitsnachweisen wie Eurocode oder FKM die Analyse des plastischen Materialverhaltens vorausgesetzt.

ZIELGRUPPE

Dieses Seminar richtet sich an alle Berechnungsingenieure, die von der realitätsnahen Abbildung des Materialverhaltens ihrer metallischen Baugruppen profitieren oder einen simulationsbasierten plastischen Festigkeitsnachweis durchführen wollen.

IHR NUTZEN

​Im Rahmen des Seminars bekommen Sie einen tiefen Einblick in die wichtigsten Materialmodelle für Metalle in ANSYS. Neben dem Verständnis für die Begriffe der ratenunabhängigen und ratenabhängigen Plastizität erlernen Sie, wie die Messdaten aufbereitet werden und bei welchen Belastungsszenarien, welche Modellkombinationen zum Einsatz kommen. Praktische Übungen am Rechner helfen Ihnen bei der Modellfehlersuche und der Verbesserung des Konvergenzverhaltens physikalisch nichtlinearer Probleme. Nach dem Seminar haben Sie eine solide Basis, um ein passendes plastisches Materialmodell auszuwählen und für Ihre Aufgabenstellung erfolgreich und selbstständig anzuwenden.

Agenda

Tag 1

M1: Überblick über die Welt der Metalle

  • Vom elastischen zum plastischen Materialverhalten
  • Workshop: Plastische Traglastreserve eines Stahlträgers
  • Einfluss von Metalleigenschaften, Temperatur und Lastgeschwindigkeit
  • Typische Spannungs-Dehnungs-Verläufe aus der Messung
  • Wahre Spannungen und Dehnungen – technische Größen
  • ANSYS-konforme Berechnung von Spannungen und Dehnungen aus Messdaten

M2: Abbildung des plastischen Materialverhaltens im FE-Modell

  • ​Wann fängt ein Metall an zu fließen?
  • Fließfunktion, Fließregel, Belastungs- und Entlastungsbedingung
  • Entwicklung der Fließfläche in Abhängigkeit von der plastischen Dehnung
  • Isotrope Plastizität nach von-Mises – anisotrope Plastizität nach Hill
  • Workshop: Plastische Ergebnisgrößen und Ihre Bedeutung am Beispiel einer Zugprobe

M3: ANSYS Materialmodelle für monotone Lasten

  • ​Ratenunabhängige Modelle mit isotroper Verfestigung
  • Bilinear (BISO), multilinear (MISO) und nichtlinear (NLISO: POWER, VOCE)
  • Definition der Materialgesetze in der ANSYS Mechanical Materialbibliothek
  • Der APDL-Weg innerhalb von ANSYS Mechanical für spezielle Materialgesetze
  • Bestimmung der Materialparameter bei nichtlinearer Verfestigung
  • Workshop: Virtueller Zugversuch – Gegenüberstellung isotroper Verfestigungsmodelle

M4: ANSYS Materialmodelle bei zyklischer Belastung

  • ​Ratenunabhängige Modelle mit kinematischer Verfestigung
  • Bilinear (BKIN), multilinear (KINH) und nichtlinear (Chaboche )
  • Bauschinger Effekt, Rückspannung und kinematische Glieder
  • Ratcheting und Shakedown bei asymmetrischer Last
  • Beispiel: Virtueller Zugversuch – Gegenüberstellung kinematischer Verfestigungsmodelle
  • Workshop: Platte unter zyklischer Last mit Chaboche, inklusive Curve Fit und Vergleich mit multilinearer kinematischer Verfestigung

Tag 2

M5: Kombinationen von kinematischer und isotroper Verfestigung

  • ​Hysteresen mit Kraft- und Verschiebungssteuerung
  • Zyklische Verfestigung und Entfestigung
  • Monotone im Vergleich zu zyklischer Spannungs-Dehnungskurve
  • Nichtlineare Analyseeinstellungen
  • Workshop: Curve Fit für kombinierte Verfestigung (Voce, Chaboche)
  • Workshop: Zyklische Analyse eines Ringbehälters

M6: Einfluss der Lastgeschwindigkeit im Kurzzeitbereich

  • ​Viskoplastische Modelle in ANSYS Mechanical (Peirce, Perzyna, Anand)
  • Abbildung der Dehnratensensitivität im FE-Modell
  • Unterschied zwischen expliziten und impliziten Lösungsverfahren
  • Kurzzeitfestigkeit nach dem Energiekonzept
  • Workshop: Ertragbare Schwingspielzahl einer Elektronikkomponente (Anand-Modell mit energiebasiertem Kriterium)

M7: Langzeitverhalten bei konstanter Last und hoher Temperatur

  • ​Phänomen des Kriechens
  • Unterschiede zwischen primärem, sekundärem und tertiärem Kriechen
  • Einflussgrößen auf das Kriechverhalten (Spannung, Kriechdehnrate, Temperatur)
  • Dehnungsexplizite und zeitexplizite Ansätze
  • Aufbereitung von experimentellen Kriechkurven (Hinweise zum erfolgreichen Curve Fit)
  • Workshop: Curve Fit für sekundäres Kriechen
  • Workshop: Simulation eines Auspuffkrümmers unter Temperaturlast

M8: Spezielle Effekte bei Metallen

  • ​Zug-Druck-Asymmetrie im plastischen Bereich (Gußeisen - Cast Iron)
  • Beispiel: Virtueller Zugversuch – Cast-Iron-Modell
  • Statische Kristallerholung der isotropen und kinematischen Verfestigung
  • Workshop: Rohrzugprobe - Einbinden kinematisch statischer Erholung im Chaboche-Modell
  • Phänomenologische Schädigungsentwicklung nach Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)
  • Beispiel: Virtueller Zugversuch - Neubildung, Wachstum und Zusammenwachsen von Poren im GTN-Modell

ERGÄNZENDE VERANSTALTUNGEN