A05 - Schä­di­gungs­mo­del­lie­rung für die Si­mu­la­ti­on me­cha­ni­scher Fü­ge­pro­zes­se

Das Teilprojekt befasst sich mit der Modellierung und Simulation der Plastizität und Schädigung während mechanischer Fügeverfahren vor dem Hintergrund der angestrebten Wandlungsfähigkeit der Prozesse. Dazu werden einerseits Materialmodelle entwickelt, robust und effizient numerisch umgesetzt und experimentell validiert. Andererseits wird eine numerische Methode, die sogenannte Parametrische Finite Elemente Methode (PFEM), weiterentwickelt, die die effiziente Berechnung einer großen Anzahl verschiedener Prozessvarianten ermöglicht und damit das ideale Lösungsverfahren zur Simulation wandlungsfähiger Prozesse darstellt.

Verfahrensbedingt gehen die im TRR betrachteten mechanischen Fügeprozesse lokal mit sehr großen inelastischen Formänderungen einher. Dabei kommt es insbesondere zu einer Verkopplung von finiter Plastizität und Schädigung. Zum besseren Verständnis dieser während des Fügeprozesses auftretenden mesostrukturellen Phänomene sind geeignete Materialmodelle und ihre Verwendung in der Prozesssimulation unabdingbar. Die Entwicklung dieser Materialmodelle und ihre Anwendung zur virtuellen Optimierung der Prozessführung stellen Schwerpunkte dieses Projekts dar.

Des Weiteren zeichnen sich die betrachteten mechanischen Fügeprozesse, wie Clinchen oder Stanznieten, durch hohe Anforderungen an die Wandlungsfähigkeit aus. Zielgerichtete Änderungen innerhalb der Prozesskette – des Halbzeugs, der Fügestelle oder des Fügeprozesses – sollen möglich sein. Die Prozesssimulation sollte diesen Anforderungen an die Wandlungsfähigkeit Rechnung tragen und solche Variationen idealerweise von Beginn an berücksichtigen. Daraus ergibt sich der zweite Schwerpunkt des vorliegenden Projekts: Die PFEM wird um Plastizität und Schädigung erweitert und zur Simulation mechanischer Fügeprozesse verwendet. Neben den üblichen physikalischen Koordinaten, die den Raum diskretisieren, werden in der PFEM zusätzliche parametrische Koordinaten eingeführt, die einen oder mehrere geometrische oder werkstoffliche Parameter der Fügestelle repräsentieren. Die Lösung dieses höherdimensionalen Problems liefert simultan und sehr effizient die Lösungen für kontinuierliche Variationen (anstatt einer sehr aufwändigen diskreten Abtastung) dieser Parameter und erlaubt somit einen direkten Vergleich verschiedener Prozessvarianten im Sinne der Wandlungsfähigkeit.

Die zentralen Fragestellungen im TP A05 sind somit zusammenfassend (i) die physikalisch nichtlineare und geometrisch exakte Materialmodellierung von verkoppelter Plastizität und Schädigung, (ii) deren physikalisch motivierte Regularisierung und (iii) die numerische Umsetzung der Modelle für die Prozesssimulation im Rahmen der PFEM, um der angestrebten Wandlungsfähigkeit der Fügeprozesse Rechnung zu tragen.