Nafems Dach: Werkstoffeigenschaften in der Strukturberechnung

Die Effizienz von Simulationsverfahren basiert auf der Güte der eingesetzten Modelle. Dies gilt im besonderen Maße für die Analyse von Bauteilstrukturen. Wenn auch Details der Geometrie weitgehend exakt nachgebildet werden können, sind Beschreibungen der Werkstoffeigenschaften oft nicht verfügbar. Es müssen Annahmen getroffen werden, deren Auswirkungen auf das Ergebnis meist nicht absehbar sind. Verlässliche Designentscheidungen sind so nicht möglich, ebenso darüberhinausgehende neue Anwendungen wie z. B. der Digital Twin.

Dieses Seminar soll zeigen und zur Diskussion stellen, mit welchen Methoden das Design von Leichtbau-Strukturen, deren Nutzen auf optimierte Eigenschaften der Werkstoffe beruht, unterstützt werden kann.

Die physikalischen Eigenschaften der Materialen von Tragstrukturen wie lineare / nichtlineare Elastizität, Versagen, Dämpfung, Wärmeleitfähigkeit usw. werden mittels Stoffgesetzen beschrieben. Diese müssen mit geeigneten Methoden bestimmt werden und bilden die Basis zur Erstellung von Materialmodellen. Damit werden in geeigneten Softwaresystemen zur Strukturanalyse die Materialeigenschaften simuliert, je nach Aufgabenstellung unter Berücksichtigung von z. B. Verformungsgeschwindigkeit, Temperatur usw.

Besondere Herausforderungen bieten Werkstoffe mit komplexen Stoffgesetzen wie Polymere und Composites aufgrund ihrer inneren Struktur, und außerdem werden in vielen Fällen deren Eigenschaftenn im Wesentlichen durch Einflüsse während der Produktion des Bauteils bestimmt.

Dies führt zur Forderung, innerhalb einer Produktentwicklung auch den Herstellungsprozess zu simulieren, um Auswirkungen z. B. der Temperatur, plastischer Vorverformungen usw. auf das Werkstoffverhalten zu ermitteln. Mit den Ergebnissen einer derartigen Simulation können Parameter in der Fertigung gezielt beeinflusst werden, um die Materialeigenschaften zu optimieren. Praktische Anwendungen sind die Steuerung von Gießvorgängen, das Härten von Stahlteilen und vor allem die neue Technologie des Additive Manufacturing.