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Projekt
Mehrskalige thermoplastische Analyse in der Erstarrungszone
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr.-Ing. Lisa Scheunemann; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder
Fachliche Zuordnung
Mechanik
Fügetechnik und Trenntechnik
Fügetechnik und Trenntechnik
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896
Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung des mehrskaligen Modellierungsansatzes zur Identifikation von mikromechanischen Effekten, die beim Laserstrahlschweißen zur Initiierung von Erstarrungsrissen führen. Ein Hauptaspekt ist dabei die Analyse der materiellen Stabilität auf Teilgebieten der Mikroskala, welche mittels einer begleitenden Lokalisierungsanalyse durchgeführt wird. Ein Verlust der materiellen Stabilität geht mit dem Verlust der Rang-1-Konvexität einher und gründet in einem nicht strikt positiv definiten Akustiktensor. Evidenzbasiert erfolgt die Analyse an repräsentativen Ausschnitten der Mikroskala, die, als erste Arbeitshypothese, mindestens einen 90-prozentigen Anteil erstarrten Materials aufweisen. Die zu untersuchenden Teilgebiete der Mikroskala basieren zunächst auf vereinfachten Dendritenstrukturen, im Sinne statistisch ähnlicher repräsentativer Volumen-Elemente, und werden um Mikrostrukturen, gewonnen durch hochaufgelöste Phasenfeldsimulationen aus TP6, erweitert. Hoch aufgelöste HPC-Simulationen mit integrierter Lokalisierungsanalyse werden in Zusammenarbeit mit TP5 ermöglicht. Das mikrostrukturelle Modell dient als Basis des Homogenisierungsschemas zur Umsetzung der multiskaligen Betrachtung. Die Kopplung der Skalen wird dabei für mechanische wie für thermische Größen mit etablierten Ansätzen zur Beschreibung der Skalenübergänge umgesetzt. Zudem wird eine Erweiterung des Materialmodells auf eine inkrementelle Variationsformulierung der finiten Thermoplastizität vorgenommen, die automatisch auf symmetrische algebraische Strukturen führt. Die daraus resultierende Symmetrie der Gleichungssysteme soll im Rahmen des Hochleistungsrechnens (High-Performance-Computing, HPC) in der numerischen Umsetzung explizit ausgenutzt werden. Dies erfolgt im konkret abgestimmten Co-Design mit TP5. Zudem soll in enger Kooperation die Erweiterung der FE^2 Homogenisierungsmethode im Softwarepaket FE2TI verfolgt werden. Darüber hinaus werden Operator Split Techniken auf Basis isothermer und isentropischer Annahmen betrachtet, welche die Symmetrieeigenschaften der entkoppelten Gleichungssysteme ausnutzen und eine verbesserte Zeitschrittweitensteuerung durch die Berücksichtigung unterschiedlicher Zeitskalen im thermischen und mechanischen Problem ermöglichen. Gemeinschaftlich mit allen Teilprojekten der Forschungsgruppe widmet sich dieses Teilprojekt der Analyse verschiedener Indikatoren für die Entstehung von Erstarrungsrissen. Insbesondere wird dabei die lokale Stabilitätsanalyse auf Mikroskala als Indikator der zur Rissbildung assoziierten Instabilität betrachtet und in ausgewählten Benchmark Simulationen des Laserstrahlschweißens mit anderen Ansätzen verglichen. Das so entwickelte Verständnis des Zusammenhangs der Prozessparameter und Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung stellt ein wesentliches, übergeordnetes Ziel der Forschungsgruppe dar.
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