title: Ein Konzept zur on-line Implementierung von analogen Messwerten innerhalb strukturmechanischer FEM-Simulationen
Creators: name: Erbe, Alexander
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2024

description: Im konventionellen Auslegungskontext ist es erforderlichen, dass die Beanspruchbarkeit an versagenskritischen Stellen nachgewiesen und zur Bewertung entsprechende FEM-Ersatzmodelle mit Betriebs- und Randbedingungen versehen werden. Die Auslegung basiert meist auf einigen wenigen Betriebspunkten. Großes Potential
ergibt sich durch die direkte Berücksichtigung von messtechnisch erfassten Größen am Bauteil. Mit modernen Methoden des CAE wird eine strukturmechanische FEM-Berechnung der zu betrachtenden Komponente direkt durchgeführt. Durch solche eine Verknüpfung von Messgrößen gekoppelt durch Eingangsgrößen mit einer strukturmechanischen FEM-Simulation kann auf der realen Datenbasis eine Darstellung und auch eine Bewertung von lokalen Beanspruchungsgrößen erfolgen. Bei der Verwendung von geeigneten Materialmodellen ist es überdies sogar möglich, den Schädigungszustand im Monitoring zu betrachten. In einem weiteren Schritt ist denkbar die Koppelung und Verknüpfung in Echtzeit stattfinden zu lassen und so fortlaufend auf Basis von numerischen Simulationen strukturmechanische Zustandsgrößen zur Verfügung zu stellen.
Zur Umsetzung einer Messdaten gekoppelten Simulation in quasi Echtzeit ist es erforderlich, benötigte Teilsystem, Module und Schnittstellen zu identifizieren und in einen interaktiven Austausch miteinander zu bringen. Zur Demonstration des Konzepts wird ein Prüfstand zur Charakterisierung von Werkstoffproben unter Hochtemperatur betrachtet. Die Auflösung der lokalen Beanspruchungsgrößen wird am Beispiel einer bauteilähnlichen Geometrie mit geometrischen Kerben für verschiedene Modellansätze gezeigt. Dabei handelt es sich im Konkreten um die Untersuchung von dünnen Strukturen in Form von Stumpfstoßschweißverbindungen bei Hochtemperatur unter LCF-Beanspruchung. Zur Darstellung von lokalen Beanspruchungen werden lokale Ansätze nach den lokalen Konzepten herangezogen. Zur Geometriebereitstellung wird ein Triangulationsverfahren verwendet, sodass damit reale Geometrien berücksichtigt werden. Zur Abbildung der analogen Messsignale in der FEM-Umgebung wird eine Schnittstelle über interne programmspezifische Subroutinen des FEM-Programms realisiert. Randbedingungen und Prozessgrößen (Messsignale) werden damit kontinuierlich der FEM-Umgebung zur Verfügung gestellt. Weiterhin werden zwei verschiedene Materialmodellierungsansätze hinsichtlich der Einsatzfähigkeit in dem konzeptionellen Rahmen betrachtet und untersucht. Das erste betrachtete Modell wird auf Basis von multilinearen Spannungs-Dehnungsbeziehungen mit kinematischer Verfestigung (Besseling) und temperaturabhängig implementiert. Zeitabhängige Phänomene kommen an dieser Stelle nicht zum Tragen und werden auch nicht mit abgebildet. Im Berechnungsmodus nachrechnen (bestehende Messwerte werden dem Ringspeicher als Sollwertvorgabe entnommen) liefert der Modellansatz sowohl im 2D (2D Geometrieschnitt) als auch 3D-Fall (volle 3D Geometrie) zuverlässige Ergebnisse hinsichtlich der lokal aufgelösten Beanspruchungen. Die Ergebnisse bei Anwendung der 2D-Variante zeigen die gleichen lokalen Ergebnisse wie bei Anwendung der 3D-Variante (örtlich aufgelöste Bauteilkerben, Schweißnahtkerbe). Beim Eintreten des Falles - Simulation rechnet schneller als Messdaten zur Verfügung gestellt werden können - kommt dieser gewählte Ansatz an seine Grenzen. Eine Berechnung von FEM-Größen ist in diesem Fall nicht mehr möglich und ein Abbruch der Berechnung tritt ein. Zur Lösung dieser Problematik wird das visko-plastische und chaboche-angelehnte Materialmodell KORA implementiert und für den Versuchswerkstoff benötigte Parameter bestimmt. Weiterhin bietet das Modell die Möglichkeit zeitabhängige Phänomene abbilden zu können und die Beschreibung einer Schädigungsgröße zu liefern. Aus Sicht der Realisierbarkeit von Echtzeitfähigkeit ist bei diesem Modell zu nennen, dass über die externe Subroutinen-Steuerung auf interne Zustandsgrößen (Zeitschrittweitensteuerung) zugegriffen werden kann und diese extern gesteuert wird. Durch eine gezielte Modelloptimierung bei gleichzeitiger Reduzierung des Berechnungsaufwandes (Verlagerung des Fokus auf eine kritische lokale Position) kann der Berechnungsaufwand erheblich reduziert werden, sodass eine Berechnung der strukturmechanischen Größen sicher in quasi Echtzeit stattfinden kann.