Die Kontrolle der Schädigung mittels Optimierungsmethoden wird ergänzend zur Analyse des Material- und Strukturverhaltens betrachtet. Im Verlauf der drei Förderperioden und mit steigender Komplexität sollen der Umformprozess und das Halbzeug so ausgelegt werden, dass die Schädigung kontrolliert und die Betriebsdauer maximiert wird. Diese Ziele sollen durch die Modellierung und Lösung unterschiedlicher mathematischer Optimierungsaufgaben (Zielfunktionen, Nebenbedingungen und Designvariablen) erreicht werden. Die akademischen und industriellen Optimierungsstrategien unterscheiden sich wesentlich im Aufwand für die analytische Aufbereitung der Optimierungsaufgabe, in der Auswahl der Algorithmen sowie dem sich daraus ergebenden Aufwand der numerischen Berechnung. Sowohl die akademische Sichtweise (ausgehend von den mechanischen Grundlagen) als auch die industrielle Sichtweise (ausgehend vom industriellen Umformprozess) sollen im Verlauf der drei Förderperioden untersucht und zusammengeführt werden.

In der ersten Förderperiode sollen die mechanischen Grundlagen zur Kontrolle der Schädigung aufbereitet werden. Zentral ist die Untersuchung des Einflusses der Modellparameter (Geometrie, Randbedingungen) auf das Strukturverhalten (Verformung, Schädigung, Spannungen) im Rahmen einer variationellen Sensitivitätsanalyse (zuerst Variation, dann Diskretisierung). Es sollen die bekannten Schädigungskriterien der Umformtechnik (z.B. Cockcroft/Latham), die klassischen Schädigungsmodelle (Lemaitre-Modell, Gurson/Tvergaard/ Needleman-Modell) sowie die im TP C02 vorgesehenen Neuentwicklungen behandelt werden.

Die Novität dieses Teilprojektes ist die variationelle Sensitivitätsanalyse und die zugehörige Strukturoptimierung der anisotropen Plastizität, der anisotropen Schädigung sowie der gradienten-erweiterten Schädigungsmodellierung bezüglich der Variation von Geometrie und Randbedingungen. Neuartig ist ebenfalls die Singulärwertzerlegung der Sensitivität obiger Modelle, die eine quantitative Bestimmung der wichtigsten Parameter und die Reduktion der Optimierungsaufgabe ermöglicht. Basierend hierauf sollen grundlegende Optimierungsaufgaben zum mechanischen Verständnis der Schädigung betrachtet werden. Exemplarisch sei für ausgewählte akademische Demonstratoren (i) die Bestimmung optimaler Lastpfade zur Minimierung der Schädigung und (ii) die Minimierung der Schädigung durch Formänderung der Bauteile genannt.

Ziel der zweiten Förderperiode ist die Berücksichtigung des komplexen Umformprozesses in der Sensitivitätsanalyse und Optimierung. Ziel der dritten Förderperiode ist die Zusammenführung der Erkenntnisse zu einer Gesamtoptimierungsstrategie. Ein in der Praxis einsetzbarer Optimierungsalgorithmus soll, im Sinne einer Mehrzieloptimierung, die Schädigung während des industriellen Umformprozesses kontrollieren und die Bauteilauslegung mit dem Ziel einer maximierten Betriebsdauer ermöglichen.

Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Franz-Joseph Barthold
Numerische Methoden und Informationsverarbeitung (NMI), TU Dortmund

Projektbearbeitung
Jan Liedmann M.Sc. (kommissarisch)
Numerische Methoden und Informationsverarbeitung (NMI), TU Dortmund