Dipl.-Ing. Sven Heinrich
Mehrskalenmodell zur numerischen Schädigungsanalyse von Stahlstrukturen
Ziel der Forschung ist die Berechnung von Stahlstrukturen unter Berücksichtigung der Schädigungsentwicklung im Material. Die Resttragfähigkeit und das mögliche Versagen von Bauteilen soll vorhergesagt werden.
Schädigung beginnt auf der Mikrostrukturebene mit der Bildung, dem Anwachsen und der Verbindung von Poren begleitet von degenerativem Materialwiderstand. Mit der Bildung von Mikrorissen wird das Versagen eingeleitet. Das Materialverhalten von Stahl wird mit einem phänomenologischen Ansatz im Rahmen der Kontinuumsschädigungsmechanik (CDM) beschrieben. Durch die Berücksichtigung von Viskoplastizität, isotroper und kinematischer Verfestigung sowie Schädigungsentwicklung wird eine zutreffende Beschreibung zyklischer und ratenabhängiger Beanspruchungen erreicht. Die Anpassung der verwendeten Modellparameter an das in Versuchen beobachtete Materialverhalten erfolgt mit Hilfe von evolutionären Algorithmen.
Das nichtlineare Verhalten unter statischer und dynamischer Belastung wird mit einer 3D-FEM-Modellierung in Weggrößenformulierung untersucht. Zur Vermeidung netzabhängiger Ergebnisse wird eine Gradientenformulierung verwendet, durch welche die lokal entwickelte Schädigung über ein Gebiet verteilt und die nichtlokale Schädigung als zusätzlicher Freiwert eingeführt wird. Eine interne Länge bestimmt die Größe der Prozesszone und die maximale Abmessung der Volumenelemente im Schädigungsbereich. Durch die im Vergleich großen Abmessungen von Stahlstrukturen ergibt sich ein hoher Berechnungsaufwand.
Aufgrund der Beschaffenheit von Stahlbauteilen stellen Balkenelemente eine geeignete Modellierung für lineare Materialgesetze dar, die am Integrationspunkt um die Beschreibung von Plastizität erweitert werden können. Ein degeneratives Materialverhalten kann jedoch nicht abgebildet werden. Schädigung und Bauteilversagen stellen ein lokal sehr begrenztes Phänomenen dar. Das konventionelle Balkenelement wird daher um eine zusätzliche Ansatzfunktion sowie einen weiteren Freiheitsgrad zur Beschreibung eines Knickes ergänzt. Die Modellparameter des Balkenmodells werden ermittelt, indem eine Berechnung mit dem CDM-Modell für einen Referenzprofil durchgeführt und das maximale Moment und die plastischen Arbeiten der beiden Modelle gegenübergestellt werden.
Publikationen im Rahmen des GRK:
Konferenzbeiträge mit Veröffentlichung:
S. Heinrich, U. Kowalsky and D. Dinkler. Multiscale damage analysis for steel structures. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 16(1), 133-134, 2016.
weiterführende Literatur:
U. Kowalsky, J. Meyer, S. Heinrich and D. Dinkler. A nonlocal damage model for mild steel under inelastic cyclic straining. Computational Materials Science, 2012.