Implementierung der Virtual Crack Closure Technique und der materiellen Kräfte in den Finite Elemente Programmcode Ansys
Die Erforschung der Entstehung von Rissen und deren Ausbreitung ist für die Entwicklung einer Vielzahl von industriellen Produkten von großer Bedeutung. Hierbei ist es nicht nur wichtig die Rissbildung während der Produktion sondern auch während des Gebrauchs zu verhindern.
Im Entwicklungsprozess hochwertiger Produkte kommen meist Simulationsprogramme zum Einsatz. An diese Programme werden immer höhere Anforderungen gestellt. So ist es beispielsweise wichtig, dass die Rissbildung und -ausbreitung in den entsprechenden Simulationsprogrammen realitätsnah vorhergesagt und dargestellt werden kann.
Im Zuge dieses Projekts wird ein Algorithmus zur Rissausbreitung entwickelt und in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm (FE) implementiert. Die bruchmechanischen Betrachtungen sollen folgende Aufgabenfelder abdecken
- Einarbeitung in die Thematik der Bruchmechanik
- Wahl eines Risskriteriums
- Entwicklung und Umsetzung eines Algorithmus für die Berechnung des Rissfortschritts in FE- Modellen unter Verwendung verschiedener Elementarten (2D und 3D Kontinuumelemente sowie Schalenelemente)
- Erweiterung des Algorithmus auf heterogene Materialmodellern
- Implementierung des Algorithmus in Ansys
Zu Beginn des Projekts erfolgte eine Einarbeitung des Mitarbeiters in die Thematik der Bruchmechanik. Dabei war es von zentraler Bedeutung die Vor- und Nachteile der verschiedenen Ansätze der Bruchmechanik zu erarbeiten, um sich für eine Strategie zu entscheiden.
Im Projekt wurden die Methode der Virtual Crack Closure Technique (VCCT) umgesetzt. Die Berechnung der Rissausbreitung und -richtung erfolgt durch die materiellen Kräfte. Ein VCCT-Korrekturfaktor an der Rissspitze bei Verwendung unterschiedlicher Elementgrößen für 2D und 3D wurde entwickelt.
Eine Validierung der ersten Simulationsergebnisse mit verschiedenen Testergebnissen fand statt.
Eine realistische Rissausbreitung im FE-Modell ist nur möglich, wenn die gewählte Vernetzung adaptive angepasst werden kann. Hierzu wurde eine Prozedur entwickelt und getestet, welche die Neuvernetzung bei Verwendung von Tetraeder- bzw. Hexaederelementen ermöglicht. Diese Prozedur ist mit der VCCT, der Auswertung des J-Integrals und der materiallen Kräfte gekoppelt.
Die Anwendung der VCCT gekoppelt mit den materiellen Kräften wurde u. a. an Bi-Materialien unter Berücksichtigung verschiedener Rissmodi erforscht.
Im letzten Schritt des Projekts wird die Implementierung in die Programmstruktur des Praxispartners erfolgen.