Development of methods for damage modeling with enhanced rheological models for the simulation of forming processes
Final Report Abstract
Das abgeschlossene Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation thermomechanisch gekoppelten Materialverhaltens metallischer Werkstoffe für die Anwendung auf industrielle Umformprozesse. Der Fokus der Arbeiten ist auf die Methodenentwicklung für die Materialmodellierung unter der Berücksichtigung des Auftretens von Schädigung im Werkstoff gelegt worden. Das aus vorangegangenen Forschungsaktivitäten bereitgestellte rheologische Konzept zur Darstellung des thermoviskoplastischen Materialverhaltens unter Berücksichtigung von temperaturabhängigen Verfestigungs- und Erholungsvorgängen und der Erfassung von Energiespeicherung / Dissipation während der plastischen Formgebung des Werkstoffs ist um die Abbildung der Schädigung thermomechanisch konsistent erweitert worden. Infolge dessen kann nun auch das etablierte Modellierungskonzept der effektiven Spannungen zur Beschreibung der Kontinuumsschädigung im Rahmen der rheologischen Modelle dargestellt werden. Darauf aufbauend ist eine Systematik entwickelt worden, um die konstitutiven Beziehungen der einaxialen rheologischen Modelle unter Einbeziehung finiter rheologischer Netzwerkdarstellungen in die Materialgleichungen für große Deformationen im Rahmen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik zu übertragen. Die Struktur des resultierenden, finiten Thermoviskoplastizitätsmodells und die Argumentationsweise zur Herleitung dessen konstitutiver Gleichungen zeichnen sich dabei durch eine stringente Analogie zu dem Vorgehen bei der entsprechenden räumlichen Formulierung der kleinen Deformationen sowie dem einaxialen Materialmodell und den dazugehörigen rheologischen Netzwerken aus. Die erweiterten rheologischen Netzwerkdarstellungen für einaxiale (kleine) und finite Deformationen liefern dabei einen äußerst anschaulichen Zugang zur thermomechanisch konsistenten Materialmodellierung und erlauben für die einzelnen rheologischen Grundbausteine des Netzwerks eine klare Interpretation bzw. Zuordnung bezüglich der einzelnen, spezifischen Phänomene des komplexen, temperaturabhängigen Werkstoffverhaltens, wie der deformationinduzierten (nichtlinear) isotropen und kinematischen Verfestigung, der Dehnratensensitivität, der Anfangsfließgrenze, dem thermischen Ausdehnungsverhalten und der Schädigungsentwicklung sowie insbesondere auch zu den damit verbundenen Vorgängen der Energiespeicherung und der Dissipation infolge der aufgewendeten Arbeit der viskoplastischen Deformationen und der Ausprägung von Schädigung. Das aus den Vorarbeiten stammende Thermoviskoplastizitätsmodell für die simultane Kalt-/ Warmumformung wurde gemäß um die Schädigung erweitert und in hypoelastoviskoplastischer Formulierung als User-Materialmodell für die implizite Zeitintegration in ein kommerzielles FE-Programm implementiert zur Anwendung bei thermomechanisch gekoppelten Prozesssimulationen von industrienahen Formgebungsprozessen. Des Weiteren ist das einaxiale Thermoviskoplastizitätsmodell mit statischer Erholung und Schädigung gemäß des entwickelten Übertragungskonzepts konsequent auf eine Formulierung für finite Deformationen ausgedehnt worden. Zur Beurteilung einer möglichen Verwendung für die Berechnung von industrienahen Prozessen wird das entwickelte Materialmodell mit bestehenden Modellen anhand von experimentell ermittelten Fließkurven unterschiedlicher Stahl- und Aluminiumsorten verglichen. Dabei werden als Vergleichsmodelle das BCJ-Modell (nach Bammann, Chiesa und Johnson) sowie das EMMI-Modell (Evolving Microstructural Model of Inelasticity) herangezogen, die beide standardmäßig in dem kommerziellen FE-Programm LS-DYNA verfügbar sind. Die Identifikation der Modellparameter erfolgt durch Kalibrierung der berechneten Fließkurven an Versuchsdaten aus der Literatur. Weiterführende Arbeiten sind angedacht in den Bereichen einer physikalisch fundierteren Modellierung des duktilen Schädigungsprozesses im Hinblick der Berücksichtigung der Porenbildung und -vergrößerung im Sinne einer irreversiblen Volumenzunahme des Materials.
Publications
- (2012): Thermomechanically consistent material modeling with damage for simultaneous hot/cold forming based on enhanced rheological models. In CD-ROM Proc. of 6th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2012). Vienna University of Technology, Austria, ISBN: 978-3-9502481-9-7
C. Bröcker und A. Matzenmiller
- (2012): Thermoviscoplasticity deduced from enhanced rheological models. PAMM 12, 327–328
C. Bröcker und A. Matzenmiller
- (2013): A thermoviscoplastic model with damage for simultaneous hot/cold forging analysis. In Proc. of 12th International Conference on Computational Plasticity—Fundamentals and Applications (COMPLAS XII). International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE), Barcelona, Spain
C. Bröcker und A. Matzenmiller
- (2013): An enhanced concept of rheological models to represent nonlinear thermoviscoplasticity and its energy storage behavior. Continuum Mechanics and Thermodynamics. Vol. 25, Nr. 6, S. 749-778
C. Bröcker und A. Matzenmiller
(See online at https://doi.org/10.1007/s00161-012-0268-3) - (2014): An enhanced concept of rheological models to represent nonlinear thermoviscoplasticity and its energy storage behavior—part 2: Spatial generalization for small strains. Continuum Mechanics and Thermodynamics
C. Bröcker und A. Matzenmiller
(See online at https://doi.org/10.1007/s00161-014-0350-0) - (2014): On the generalization of uniaxial thermoviscoplasticity with damage to finite deformations based on enhanced rheological models, Technische Mechanik, Vol. 34, Nr. 3-4, S. 142-165
C. Bröcker und A. Matzenmiller
(See online at https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2017-059) - (2017): Evaluation of different thermoviscoplastic material models under simultaneous hot/cold forging conditions. Konferenzbeitrag zur 11. Europäischen LS-DYNA Konferenz, 09. - 11. Mai 2017, Salzburg, Österreich
A. Matzenmiller, M. Nahrmann und P. Kühlmeyer
