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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Simulation von Spannungen in porösen Materialien und Komponenten

Freitag (20.09.2019)
11:30 - 12:00 Uhr Festsaal
Bestandteil von:


Leichtbau führt zur zunehmenden Verwendung von porösen Materialien wie z.B. Metall- oder Keramikschäumen oder 3D gedruckten Gitterstrukturen, und von geometrisch optimierten Komponenten mit komplexen Formen. Da immer weniger „überflüssiges“ Material verbaut wird, können die mechanischen Eigenschaften der optimierten Strukturen stärker durch erwünschte oder unerwünschte Porosität beeinflusst werden. Daher steigt der Bedarf an mikromechanischen Simulationen zur Bestimmung ihrer effektiven mechanischen Eigenschaften. Der Versuch, solche Strukturen durch sehr feine geometriekonforme Volumennetze für klassische FEM Simulationen darzustellen, kann zu übermäßig langen Zeiten für die Vernetzung und die Berechnung führen. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Vernetzungsproblems bieten sogenannte Immersed Boundary Methoden. Dieser Ansatz ist in dem Modul Strukturmechanik Simulation der Software VGSTUDIO MAX von Volume Graphics implementiert. Er ermöglicht Simulationen von Spannungsfeldern direkt auf Computertomographie (CT) Scans, die komplexe Strukturen akkurat repräsentieren. Ein Vergleich zwischen simulierten und experimentellen Ergebnissen von Zugversuchen mit 3D gedruckten Bauteilen aus AlSi10Mg zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen den vorhergesagten und beobachteten Zugfestigkeiten und den Stellen der ersten Rissbildung. Der neue Simulationsansatz wurde auch mit klassischen FEM Simulationen für ein reguläres kubisches Gitter sowie einen Zugstab mit nur einer Pore verglichen. Beim kubischen Gitter stimmten das effektive Elastizitätsmodul und die maximale lokale Spannung gut überein. Die Spannungsverteilungen im Zugstab mit einer Pore stimmten ebenfalls gut überein, mit Ausnahme von Unterschieden in den Spannungsmaxima auf Grund der notwendigerweise geringeren räumlichen Auflösung der FEM Simulation. Der hier vorgestellte Simulationsansatz bietet eine einfach nutzbare und validierte Methode zur Berechnung der Spannungs- und Verschiebungsfelder in Materialproben oder Komponenten mit porösen Mikrostrukturen. Er kann zur Bestimmung der effektiven linearen elastischen Eigenschaften für statische Belastungen sowie als Eingangsinformation für die Lebensdauerschätzung von Materialien und Komponenten verwendet werden. Er ist insbesondere auch für die Schadensanalyse von Komponenten im Betrieb geeignet, da sowohl die reale Bauteilgeometrie als auch die Materialstruktur in den CT Scans enthalten sind und in der Simulation berücksichtigt werden.

Sprecher/Referent:
Dr.-Ing. Karl-Michael Nigge
Volume Graphics GmbH
Weitere Autoren/Referenten:
  • Dr. Johannes Fieres
    Volume Graphics GmbH
  • Christof Reinhart
    Volume Graphics GmbH