Modellierung von Schäumen mittels FEM

  • Forschungsthema:Metallschäume
  • Typ:Studienarbeit
  • Datum:März 2010
  • Betreuung:

    Daniel Schwarzer

  • Bearbeitung:cand. mach. Andreas Ganz

  • Metallschäumen kommt durch ihr gutes Gewichts-Steifigkeits-Verhältnis eine immer größere Bedeutung zu. Aus diesem Grund soll ein Simulatonsmodell für Metallschäume entwickelt werden, dass auch Effekte, die auf der Mikroebene auftreten (Störstellen, Dickenstreuungen, ...), mit auf die Bauteilebene mitnimmt.

    Im Zuge dessen sollen selbst entwickelte Modelle mit kommerzieller FEM Software nachgerechnet und mit bereits implementierten Schaum-Material-Modellen komerzieller FEM-Software verglichen werden. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau und der Vergleich verschiedener Modelle für Metallschäume in einer kommerziellen FEM-Umgebung, in die sich am Anfang der Arbeit eingearbeitet werden kann.

Forschungsgebiet

Erstellung eines Simulationsmodells für Metallschäume

Anwendung: Vorhersage der Eigenfrequenzen und Formen 

 

Allgemein:

Auf Grund ihrer zahlreichen nützlichen Eigenschaften  z.B. zur Gewichtsreduktion im Leichtbau und auf Grund ihres exzellenten Energie- Absorption- Verhaltens spielen Metallschäume eine immer wichtigere Rolle. In der Automobil-Industrie zum Beispiel, werden Schäume immer häufiger in den tragenden und Crash-relevanten Strukturen eingesetzt.

Versuche an Strukturen aus Metallschäumen zeigen für das Verformungs- und Versagensverhalten eine große Streuung der Messwerte und einen ausgeprägten Größeneffekt in der Standardabweichung. Als Ursache werden Inhomogenitäten der Mikrostruktur, die sich als Dichteschwankungen und Defekten der Zellstruktur ausdrücken, angenommen.

Allgemeines Ziel ist die Erstellung eines Simulationsmodells, welches diese Inhomogenitäten auf der Mikroebene erfasst und dadurch die Streuungen im makroskopischen Verhalten abbildet. Dabei spielen folgende Bereiche eine Rolle:
- Verformungsverhalten
- Simulationsmethodik auf verschiedenen Skalen
- Multiskalensimulation
- Rechnergestützte Dynamik
- Kontinuumsmechanik
- stochastische Mechanik

Mesoebene:

Auf der Mesoebene wurde ein dreidimensionales Simulationsmodell für sowohl offen-porige als auch geschlossenporige Metallschäume entwickelt, das Schaumstrukturen über drei verschiede Ansätze (Kelvin-Zellen, gestörte Kelvin-Zellen, Voronoi-Tesselation) generiert und ihre linear-elastischen Eigenschaften berechnen kann.

Mit Hilfe dieses Simulationsmodells ist der Einfluss von Erweiterungen wie zum Beispiel Vorverformtheit der Zellstege und Zellflächen oder deren nicht konstante Querschnittsflächen untersucht worden. Desweiteren wurden Inhomogenitäten wie Fehlstellen und teilweise geschlossene Zellen abgebildet.

Damit ist die Vorhersage der Verteilungen und der Auto- und Kreuzkorrelationen der einzelnen mechanischen Parameter möglich.

  

 

 

Makroebene:

Mit Hilfe der Verteilungen und der Korrelationsfunktion ist es nun möglich das Materialverhalten und seine Streuung auf der Makroebene abzubilden. Dazu werden Methoden aus der Stochastischen Mechanik (Karhunen-Loeve-Zerlegung, Stochastisches Ritzverfahren, stochastische Störungsrechnung) verwendet.
Eine beispielhafte Anwendung dieses Verfahrens ist die Vorhersage der Eigenfrequenzen und deren Streuungen von Balken aus Metallschaum.
Die getroffenen Aussagen werden mittels Experimente am Institut validiert.

 

 

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