Ermitteln von Materialparametern aus Bauteilversuchen
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- Ludo Kramer
- vor 7 Jahren
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1 5. HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen (26. Nov. 2010) Ermitteln von Materialparametern aus Bauteilversuchen Manuel Roth, FH Giessen-Friedberg Prof. Dr.-Ing. Stefan Kolling, FH Giessen-Friedberg
2 Inhalt Motivation 3-Punkt-Biegeversuch Ablauf Aufbau des FE-Modells Arbeiten in HyperStudy Zusammenfassung Ausblick Kontakt Danksagung und References 2
3 Motivation Materialdatenermittlung soll preiswert und zeitnah geschehen Übliche Vorgehensweise bei Ermittlung von Materialparametern Uniaxialer Zugversuch Bestimmen der Materialkonstanten Eintragen ins Materialmodell für die FE-Modellierung Problem: in der Praxis tritt selten reiner uniaxialer Zug auf Viel häufiger Kombinationen: Zug/Druck, Schub, Biegung Idee: Grundlage für FE-Modellierung ein Test, welcher ebenfalls diese Überlagerungen beinhaltet 3-Punkt-Biegeversuch 3
4 3-Punkt-Biegeversuche 3-Punkt-Biegeversuche machen Kraft-Weg-Kurven aufnehmen Modellieren des Versuchsaufbaus im FE Verwendung eines Materialansatzes, der Materialverhalten wiedergeben kann Bock Proben Finne Anpassen der Materialparameter mit einer Optimierung Anschließende Validierung durch Bauteilversuche Bauteilsimulation Durch Variation der Pendelgeschwindigkeit: Dehnrate erhöhen 4
5 3-Punkt-Biegeversuche Bemerkung: Elastizität beruht auf analytisch gefundenen Beziehungen der Mechanik Dehnung, Dehnrate Plastizität und Viskosität kann nicht analytisch beschrieben werden, sondern beruht auf phänomenologischen Ansätzen Dehnung und Dehnrate variieren über Querschnitt Günstige Verhältnisse bei richtiger Wahl der Probendimensionen Dehnrate variiert im Verlauf des Versuchs Wird berücksichtigt, da Versuch genau nachmodelliert Als Input für Materialmodell sind gesucht: Kurven von Spannung über Plastischer Dehnung bei constanter Dehnrate 5
6 Ablauf Variation von folgenden Parametern Auflagerabstand hoch, Dehnrate runter Pendelgeschwindigkeit hoch, Dehnrate hoch Pendelmasse hoch, Energie hoch Die Dehnrate wird als Bereich angegeben, da sich die Dehnrate über dem Biegequerschnitt ändert Im Fall von Polymeren und Schäumen: Konditionierungszustand beachten Pro Fall 3 Wiederholungen 6
7 Aufbau des FE-Modells Mesh und Bounds mit HyperMesh Materialansatz, der geeignet ist, Materialverhalten abzubilden Simplified Johnson Cook (MAT98) A, B, C, n: input constants eps_p: effective plastic strain eps_pkt: effective strain rate Optimierung mit HyperStudy Solver: LS-Dyna 7
8 Aufbau des FE-Modells Umsetzung im Code: Bearbeiten der keyword-datei, speichern als Tempate für HyperStudy 8
9 Arbeiten in HyperStudy Vergleich zwischen Kurve aus Test (Zielkurve) Kurve aus nominal run Wichtig: Anfangsparameter für Optimierung Kriterium: Fläche zwischen den Kurven soll minimiert werden Quelle: Altair, Materialparametervalidierung mit Altair HyperStudy 9
10 Arbeiten in HyperStudy Einbinden der Ergebnis- Files aus der Simulation und Vergleich mit der Test-Kurve aus einer Test-Datei Bilden der Fläche zwischen den Kurven durch eine mathematischen Gleichung Aufsetzen der Optimierung: Minimierung der definierten Gleichung 10
11 Arbeiten in HyperStudy PostProcessing Konvergenz der Fläche zwischen den Kurven zu einem Minimum Angenommene Werte der Design-Variablen innerhalb der Grenzen während der Iterationen 11
12 Zusammenfassung Schnelle und kostengünstige Methode zur Identifikation von Materialparametern für die FEM Kombinierter Versuch als Grundlage der Materialparameteridentifikation für die FEM entsprechend der in der Praxis öfter auftretenden Belastungsart Biegung Umsetzung der Biegeversuche und Definition einer Zielkurve Umsetzung der Optimierung mit HyperStudy Ansteuerung eines Externen Solvers Darstellung der Ergebnisse im PostProcessing 12
13 Ausblick Erweiterbar auf Materialmodell mit Dehnratenabhängigkeit Erweiterbar auf Druckversuche Parametrisierung von Geometrie Labor für angewandte Mechanik bietet folgende Dienstleistungen 3-Punkt-Biege und Druckversuche für Polymere und Schäume Quasistatische Druck- und Zugversuche Impaktvorgänge auf Faserverbundglas Simulation und Optimierung auf 160CPUs Hochgeschwindigkeitskamera 13
14 Kontakt Fachhochschule Giessen-Friedberg Fachbereich MMEW Labor für angewandte Mechanik Wiesenstrasse 14, Giessen Prof. Dr.-Ing. Stefan Kolling Manuel Roth, Dipl.-Ing. (FH), B.Eng. Festnetz: 0641 / Mobil: Formula Student Team der FH Giessen: 14
15 Danksagung Altair für die Unterstützung des Motorsport-Teams Herrn Gölke für sein persönliches Invest an der FH in Giessen Herrn Lehmann und Herrn Bergmann für den HyperStudy-Support Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 15
16 References Altair, Materialparametervalidierung mit Altair HyperStudy Altair, HyperStudy Introduction LSTC, LS-Dyna Keyword User s Manual Roth, Kolling; Einfluss der Probenkörperentnahme auf Messergebnisse, Erstes 4a Impetus Usermeeting, Traboch, 2010 Reithofer, 4a impetus efficient evaluation of material cards for nonreinforced and reinforced thermoplastics, 7th European LS-Dyna Conference, Salzburg,
17 Ergänzungen Funktion zum Bilden der Fläche zwischen zwei Kurven nicht als Standard-Fktn verfügbar muss in einer eigenen User-Datei (mvw) hinterlegt werden Übergabe an Fktn die 4 Vektoren x-, y-werte aus den zwei Kurven Integration des externen Solvers wie im Tutorial von Altair beschrieben: Tools > Register Solver Script abspeichern in eigener User-Datei (mvw) Integration von User-Dateien (mvw) über Funktion File > Set Preference File Quelle: Altair, Materialparametervalidierung mit Altair HyperStudy 17
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