IMPLEMENTIERUNG EINES SINTERMODELLS IN ANSYS
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- Melanie Krause
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1 IMPLEMENTIERUNG EINES SINTERMODELLS IN ANSYS Sebastian Stark, Peter Neumeister Koblenz,
2 IMPLEMENTIERUNG EINES SINTERMODELLS IN ANSYS Motivation Modell Implementierung Beispiel Zusammenfassung
3 Motivation Sintermodell benötigt für: Schwindungsvorhersage (große Verformungen!) Vorhersage mechanischer Spannungen im gesamten Sinterprozess Optimierung von Sinterprozessen Reduzierung von Eigenspannungen Berücksichtigung Viskosität, Hyperelastizität, thermische Dehnungen
4 Modell direkte Formulierung Ratenformulierung -Für kleine Verzerrungen bekannte Ansätze nicht unmittelbar übertragbar + Für kleine Verzerrungen bekannte Ansätze übertragbar + thermodynamisch und kinematisch konsistente - Näherungscharakter (keine Hyperelastizität), Formulierung möglich Fehler schwer abschätzbar + keine Nutzung von objektiven Spannungsgeschwindigkeiten -Nutzung von objektiven Spannungsgeschwindigkeiten + Diskretisierungmit Standardmethoden -Inkrementellobjektiver Diskretisierungsalgorithmus benötigt +übersichtliche Berechnung der konsistenten Tangentenmoduln -Linearisierung des inkrementell objektiven Diskretisierungsalgorithmus zur Berechnung der konsistententangentenmoduln nötig
5 Modell direkte Formulierung Ratenformulierung -Für kleine Verzerrungen bekannte Ansätze nicht unmittelbar übertragbar + Für kleine Verzerrungen bekannte Ansätze übertragbar + thermodynamisch und kinematisch konsistente - Näherungscharakter (keine Hyperelastizität), Formulierung möglich Fehler schwer abschätzbar + keine Nutzung von objektiven Spannungsgeschwindigkeiten -Nutzung von objektiven Spannungsgeschwindigkeiten + Diskretisierungmit Standardmethoden -Inkrementellobjektiver Diskretisierungsalgorithmus benötigt +übersichtliche Berechnung der konsistenten Tangentenmoduln -Linearisierung des inkrementell objektiven Diskretisierungsalgorithmus zur Berechnung der konsistententangentenmoduln nötig
6 Modell Innere Variablen: inelastischerstrecktensor, Korngröße Multiplikative Zerlegung Deformationsgradient, Rotation, thermoelast. Strecktensor Freie Helmholtzenergiedichte Lagrange-Green-Verzerrungstensor, Temperatur Dissipationsfunktion Materieller Wärmeleittensor Konstitutive Gleichungen: 2. Piola-Kirchhoff-Spannungstensor, Entropiedichte, Dichte in Referenzkonfiguration
7 Modell Vereinfachungen: Isotropie der Mikrostruktur Innere Energie nur durch Temperatur bestimmt Korngröße ohne Einfluss auf Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität Räumliche isotrope Wärmeleitfähigkeit Volumenbezogene Wärmekapazität
8 Implementierung Staggered Scheme (ANSYS Multifield Solver) Felder in FE-Analyse: Innere Variablen (statevars): Thermische Analyse Mechanische Analyse usermat
9 Implementierung Staggered Scheme (ANSYS Multifield Solver) Felder in FE-Analyse: Innere Variablen (statevars): Thermische Analyse Mechanische Analyse usermat
10 Implementierung usermat Diskretisierung der Konstitutivgleichungen mit Euler-Rückwärts-Methode Implementierung in Materialroutinen ( Blackbox ): Piola-Transformation Achtung #1: Updated-Lagrange: ANSYS: Notation:
11 Implementierung usermat Achtung #2: in usermat sind ko-rotierte Spannungen und Tangenten vorzugeben:
12 Implementierung Staggered Scheme (ANSYS Multifield Solver) Felder in FE-Analyse: Innere Variablen (statevars): Thermische Analyse Mechanische Analyse usermat
13 Implementierung Staggered Scheme (ANSYS Multifield Solver) Felder in FE-Analyse: Innere Variablen (statevars): Thermische Analyse Mechanische Analyse usermat?
14 Implementierung Thermische Materialparameter ULdFin.f Update von ULdBeg.f Lesen von nach jedem mechanischen Schritt vor jedem thermischen Schritt Common Block User-Befehl ASSO (user01.f) Speicherallokation, Lesen von Materialdaten aus Array-Parametern (in Input-File definiert) User-Befehl DEAS (user02.f) Freigeben von Speicher
15 Beispiel Sintern einer Kugel aus Aluminium-Oxid (50 mm Durchmesser) Parameteridentifikation aus Literaturdaten Zwei verschiedene Temperatur-Zeit-Verläufe
16 Beispiel Sinterschwindung
17 Beispiel Eigenspannungen nach dem Sintern
18 Zusammenfassung Thermodynamisch und kinematisch konsistentes Sintermodell Anbindung an ANSYS als usermat unter Verwendung von konsistenten Tangentenmoduln Lösung thermomechanisch gekoppelter Feldprobleme mit Staggered Scheme (ANSYS-Multifield-Solver) Nutzerfreundliche Berücksichtigung porositätsabhängiger thermischer Materialparameter über Fortran-Programmierung Berechnung von Eigenspannungen, Spannungen im Sinterprozess Anwendbarkeit des Ansatzes am Beispiel gezeigt
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