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Mechanismenbasierte Materialmodelle zur praxisgerechten Vorhersage der Schädigung und des Versagens in der Kaltmassivumformung von Stählen (Schadensvorhersage 3)

Status abgeschlossen
Ziele

1. Verbesserung der rechnergestützten Auslegung von Kaltmassivumformprozessen durch eine fortschrittliche Materialmodellierung zur Simulation der Schädigungsentwicklung und des Versagens
Mit den verfügbaren Simulationsprogrammen zur Abbildung von Kaltmassivumformprozessen gelingt es im Allgemeinen nicht, das Verhalten des Werkstoffs beim Umformen inklusive der Schädigungsentwicklung und dem Versagen vorauszuberechnen. Daher ist allein mit Mitteln der Simulation noch keine optimale und ressourceneffiziente Gestaltung des Umformprozesses möglich. Hieraus leitet sich das Hauptforschungsziel des Projekts ab: Die Verbesserung der rechnergestützten Auslegung von Kaltmassivumformprozessen durch eine fortschrittliche Materialmodellierung zur Simulation der Schädigungsentwicklung und des Versagens. Im Idealfall können so kostenintensive und zeitaufwändige Erprobungszyklen während der Auslegung der Werkzeuge vermieden werden, womit die Serienreife deutlich schneller erreicht wird. Darüber hinaus werden Produkt¬innovationen wie komplexere Bauteilgeometrien ermöglicht bzw. leichter realisierbar. Insgesamt wird die Wettbewerbsfähigkeit der (kleinen und mittleren) Unternehmen durch Kostenreduktion und Produktinnovation gestärkt.

2. Bestimmung der Materialeigenschaften des nahezu ungeschädigten Materials (Matrixmaterial) sowie der Schädigungs- und Versagensmechanismen
Für die Modellentwicklung und die Anpassung der Materialparameter ist eine Untersuchung und Analyse der Werkstoffeigenschaften erforderlich. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifikation der Schädigungs- und Versagensmechanismen unter besonderer Berücksichtigung der Schädigungsent-wicklung, weil diese Größen auch in dem Materialmodell eine signifikante Rolle spielen. Da der Wärmebehandlungszustand in der industriellen Anwendung von besonderer Bedeutung ist, werden verschiedene Wärmebehandlungszustände in die Untersuchungen einbezogen.

3. Entwicklung eines mechanismenbasierten Materialmodells

Das wichtigste Teilziel ist die Entwicklung eines mechanismenbasierten Materialmodells (vgl. Abbildung 1), welches unter Einbeziehung des Fließ- und Verfestigungsverhaltens die Schädigungsentwicklung und das Versagen detaillierter und präziser beschreibt und in dem das Wachstum vorhandener und neu entstandener Poren sowie die Entwicklung der Porenform und das Zusammenwachsen von Poren in dem Werkstoffmodell Berücksichtigung finden. Das zu entwickelnde Materialmodell soll zudem nach Möglichkeit Materialparameter enthalten, deren Bestimmung unproblematisch ist und eine akzeptable Anzahl an Experimenten benötigt.

4. Entwicklung eines numerischen Algorithmus, Implementierung in ein FEM-Programm, Validierung in der Praxis
Für die Anwendung unabdingbar, wird für das entwickelte Materialmodell ein effizienter und stabiler numerischer Algorithmus formuliert, um im Rahmen der Methode der finiten Elemente  industrierelevante Kaltmassivumformprozesse in adäquater Zeit zu berechnen.
Abschließend wird die Implementierung des Materialmodells als Demonstrator in ein FEM-Programm realisiert, um die Leistungsfähigkeit der Simulationsstrategie anhand von industrierelevanten Prozessen zu belegen.



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