Direkte Mehrskalenmodelle auf der Basis nano- und mikromechanischer Ansätze sind zur Simulation makroskopischer Umformprozesse aufgrund des hohen numerischen Aufwandes und langer Rechenzeiten nicht geeignet. Daher wird in diesem Teilprojekt eine Modellierung und Finite-Elemente-Simulation auf der Makroskala entwickelt und implementiert – sowohl für den Dualphasenstahl DP800 als auch für den Einsatzstahl 16MnCrS5. Um die komplexen Interaktionen im Werkstoff, wie z.B. Interaktionen zwischen Mikroriss- und Porenwachstum mit plastischem Fließen, zu modellieren, muss das Makromodell sowohl die heterogene und sich entwickelnde plastische Anisotropie als auch eine anisotrope Schädigungsdegradation unter Berücksichtigung großer Verzerrungen abbilden können.

Das makroskopische Plastizitätsmodell verfolgt hierbei zwei Ansätze. Zum einen wird die Einführung eines Hill-ähnlichen Tensors vierter Stufe, der sich deformationsinduziert entwickelt, verfolgt und zum anderen soll dieser Ansatz durch die Einführung gewichteter Spannungsmoden oder Strukturtensoren, die sich ebenfalls deformationsinduziert entwickeln, erweitert werden. Naheliegend ist eine deformationsinduzierte Anisotropieentwicklung in Abhängigkeit der plastischen Fließrichtung. Darüber hinaus wird sowohl kinematische als auch isotrope Verfestigung berücksichtigt, da diese Verfestigungsphänomene die Eigenschaften umformtechnisch hergestellter Halbzeuge und Bauteile maßgeblich beeinflussen.

Die Entwicklung der elastischen Anisotropie hängt unmittelbar mit der Textur- und Schädigungsentwicklung zusammen. Die Herausforderung dieses Teilprojekts besteht im Bereich der Materialmodellierung darin, diese deformationsinduzierte Anisotropieentwicklung mit Schädigungsentwicklung zu koppeln. Die anisotrope Schädigungsmodellierung erfolgt hierbei tensoriell und berücksichtigt Ansätze zur Modellierung mikromechanischer Schädigungseffekte, wie den sogenannten Microcrack-Closure-Reopening (MCR)-Effekt.

Um Entfestigungs- und Schädigungseffekte algorithmisch robust im Kontext der Methode der Finiten Elemente simulieren zu können, müssen zutreffende Regularisierungsmethoden verwendet werden, da nur diese eine netzunabhängige Finite-Elemente-Simulation im Falle der Schädigungsentwicklung ermöglichen und somit eine Übertragung des Materialmodells auf die Simulation von Randwertproblemen, die sich von den Randwertproblemen, anhand derer die zugrunde liegenden Materialparameter identifiziert wurden, unterscheiden. Die Herausforderung dieses Teilprojekts besteht im Bereich der Numerik daher darin, ein gradientenerweitertes Modell für eine tensorielle Schädigungsformulierung zu etablieren, um mithilfe der Methode der Finiten Elemente netzunabhängige Simulationsergebnisse zu erhalten (d.h. eine zunehmende Netzverfeinerung liefert quasi gleiche Ergebnisse). Bisherige Forschungsarbeiten zur sogenannten gradientenerweiterten Schädigungsmodellierung sind vor allem auf isotrope Schädigungsansätze fokussiert.

Das Ziel dieses Teilprojekts ist daher, ein anisotropes, gradientenerweitertes Schädigungsmodell, gekoppelt mit deformationsinduzierter Anisotropieentwicklung sowie kinematischer und isotroper Verfestigung für die Simulation von Umformprozessen – wie z.B. Biegeumformung, Tiefziehen, Kaltmassivumformung – zu etablieren und das Modell für den Dualphasenstahl DP800 und den Einsatzstahl 16MnCrS5 zu kalibrieren.

Das Teilprojekt bildet eine zentrale Schnittstelle zwischen dem Projektbereich B (Charakterisierung) und, in Kooperation mit TP S01, dem Projektbereich A (Prozesstechnologie). Perspektivisch schließen sich in späteren Förderperioden Erweiterungen des Modells an, wobei die Modellierung von Dehnratenabhängigkeiten der plastischen Formänderung und der Schädigungsentwicklung sowie die volle thermomechanische Kopplung inklusive Ausheilung im Vordergrund stehen.

Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Menzel
Institut für Mechanik (IM), TU Dortmund

Projektbearbeitung
Leon Sprave M.Sc.
Institut für Mechanik (IM), TU Dortmund