aktuelle Forschungspro­jekte

Gemeinschaftsprojekt der Universität Paderborn, der TU Dresden und der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

Teilprojekt B03: Korrosionsmodellierung zur Bewertung mechanisch gefügter Bauteile

Bei modernen Leichtbaustrukturen in Mischbauweise spielt Korrosion, insbesondere Kontaktkorrosion, z. B. zwischen Stahl und Aluminium, aufgrund der Vielzahl an Materialkombinationen eine bedeutende Rolle zur Bewertung der ertragbaren Lasten, da die Korrosion die Dauerfestigkeit deutlich herabsetzen kann. Neben der Fügbarkeitsprognose ist die Vorhersage der Lebensdauer der Verbindung insbesondere in korrosiven Medien eine weitere zu erfüllende Anforderung für die verstärkte Anwendung mechanischer Fügeverfahren. Damit mechanisches Fügen als wandlungsfähiges Verfahren anwendbar ist, muss die gesamte Prozesskette von der Herstellung bis zum Betrieb in der virtuellen Produktentwicklung sicher abbildbar sein, denn nur dann ist die Integrität der Baugruppe für die gesamte Nutzungsdauer ohne aufwändige Versuche zu gewährleisten. Mit der Schädigungsmechanik hat sich eine leistungsstarke Methode etabliert, mit der sich auf Basis von gekoppelten Simulationen aufwändige experimentelle Bauteilprüfungen in Verbindung mit klassischen Betriebsfestigkeitskonzepten ergänzen bzw. einsparen lassen. Korrosion beschreibt
die Materialveränderung infolge elektrochemischer Reaktionen, die sehr vielfältige Ursachen haben kann. Sie lässt sich durch physikalisch motivierte Modelle auf Basis von Transportgleichungen für die beteiligten Teilchentypen und entsprechenden Ansätzen für die Reaktionskinetik beschreiben. Infolge der chemischen Reaktionen ändern sich die Materialeigenschaften. Diese Materialänderung muss im Schädigungsmodell berücksichtigt werden. Um dieses Verhalten der Simulation zugänglich zu machen, soll in diesem Teilprojekt ein gekoppeltes elektro-chemo-mechanisches Modell erstellt werden, mit dem die Lebensdauer von Bauteilen, die durch mechanische Fügeverfahren verbunden wurden, unter zyklischen Betriebslasten und Korrosionseinfluss bis zum Anriss vorhersagt werden kann.

Werkstoffmodelle und Kennwertermittlung für die industrielle Anwendung der Umform- und Crash-Simulation unter Berücksichtigung der thermischen Behandlungen beim Lackieren imProzess bei hochfesten Werkstoffen.

Die sich ständig erhöhenden Anforderungen an die Crashsicherheit von Automobilen benötigen präzisere Vorhersagen durch Crashsimulation. In den letzten Jahren fokussiert sich in der industriellen Anwendung moderner Stahl- und Aluminiumwerkstoffe die Simulation auf ein durchgehendes Abbilden der Prozesskette, dabei werden heute schon vielfach die Ergebnisse der Umformsimulation für die Herstellung in die  Crashsimulationen übertragen. Das Vorgängerprojekt AiF379 ZN „UmCra - Werkstoffmodelle und Kennwertermittlung für die industrielle Anwendung der Umform- und Crash-Simulation unter Berücksichtigung der mechanischen und thermischen Vorgeschichte bei hochfesten Stählen“ beschäftigte sich mit der Kopplung von Umformung und thermischer Behandlung vor oder während des Umformprozesses. Durch die zunehmende Integration der Ergebnisse der Umformsimulation in die Crashsimulation ergibt sich die Notwendigkeit einen weiteren Schritt der Prozesskette zu betrachten: Die thermische Behandlung zum Aushärten des Lacks, im Weiteren kurz als Einbrennlackieren bezeichnet. Dabei wird die Karosserie für ca. 20 Minuten auf ca. 170 °C erwärmt. Trotz der relativ geringen Temperatur erfahren die verwendeten modernen Werkstoffe Veränderungen, die das mechanische Verhalten beeinflussen, im wesentlichen Anlasseffekte und Bake-Hardening. Die Anlasseffekte treten vor allem bei den höchstfesten Presshärtestählen auf und führen zu einer Reduktion der Festigkeit. Bake-Hardening tritt bei einer Vielzahl von Stahl- und Aluminiumgüten auf und führt
zu einer höheren Festigkeit.

im DFG - Schwerpunktprogramm 1681 " Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialen"

Multifunktionale Materialien sind auf Grund ihrer stimuli-responsiven Eigenschaften prädestiniert für Aktor- und Sensoranwendungen u.a. in der Mikrofluidik und in der Medizintechnik. Wichtige Vertreter hierbei sind Polymere, die sensitiv gegenüber von außen angelegten elektrischen und magnetischen Feldern eine kontrollierte Deformation ermöglichen.In dem vorliegenden Antrag soll das Verhalten von Ferrogelen, d.h. Polymergelen mit magnetischen Partikeln, unter Einfluss eines äußeren magnetischen Feldes detailliert untersucht werden. Hierzu erfolgt eine Modellierung und Simulation des (chemo-)magneto-mechanischen Verhaltens der Ferrogele mittels finiten Elementen. Das Ferrogel bestehend aus einem festen Polymernetzwerk, einer flüssigen Phase und fixen bzw. mobilen magnetischen Partikeln wird hierbei auf Basis einer Theorie poröser Medien für die unterschiedlichen Phasen beschrieben. Eine Beschreibung des Gesamtsystems erfolgt durch eine Kopplung der mechanischen mit den magnetischen Feldgleichungen. Die Parameter für das Materialmodell werden aus mikroskopischen experimentellen und theoretisch/numerischen Untersuchungen von Projektpartnern gewonnen. Im Rahmen des Projekts wird der Einfluss des äußeren magnetischen Feldes auf die magnetischen Partikel sowie die Interaktion der Partikel mit dem Polymernetzwerk und daraus resultierend die mechanische Deformation des Gels untersucht. Für isotrope und anisotrope Gele - mit fixen bzw. mobilen magnetischen Partikeln - soll das Verhalten im Magnetfeld berechnet und mit Ergebnissen von experimentellen Arbeitsgruppen verglichen werden. Hierbei wird zunächst das magneto-mechanische Hystereseverhalten von Ferrogelen analysiert und im entwickelten Modell berücksichtigt. Weiterhin sollen auch mobile elektrisch geladene Teilchen berücksichtigt werden. Somit kann das Verformungsverhaltens von Polymergelen unter elektrischen und magnetischen Feldern durch numerische Simulationsrechnungen bestimmt werden.In Abstimmung mit experimentellen Untersuchungen im Rahmen des SPPs kann die Qualität der entwickelten chemo-elektro-magneto-mechanischen Formulierung stetig verbessert werden. Somit steht dann ein thermodynamisch konsistentes Modell als Werkzeug zur Verfügung, das die Modellierung und Untersuchung medizintechnisch und mikrofluidisch relevanter Ferrogel-Aktorkonfigurationen ermöglicht.

Gemeinschaftsprojekt mit Prof. W. Tillmann Dortmund

Das Projekt zielt darauf ab, ein vertieftes Verständnis für die Mechanismen bei der Entstehung von dreidimensionalen (3D-) Rissmustern infolge inhomogener Schrumpfungsprozesse zu gewinnen.Die in der 1. Förderperiode erfolgreich entwickelte Methode der bruchmechanischen 3D-Verzweigungsanalyse auf Basis der Reihenentwicklung der Risskontur soll nun auch auf instationäre Thermoschocklastfälle bei Keramiken angewandt werden. Im Ergebnis lassen sich damit die Eindringtiefe der Risse bei Überlastsituationen und die daraus resultierende Restfestigkeit rechnerisch vorhersagen. Ergänzend soll der Einfluss der beim thermischen Spritzen von Wärmedämmschichten auftretenden Eigenspannungen auf die Rissbildung untersucht werden. Die Methode der Verzweigungsanalyse soll auch zur Analyse der sternförmigen Rissmuster, die bei Trocknung keramischer Precursormassen in Röhrchen entstehen, angewandt werden. In der zurückliegenden Förderperiode wurden erstmalig bei 3D-Rissmustern gekrümmte Bruchflächen berechnet. Dabei konnte die energetische Bevorzugung sechseckiger Querschnitte bei den Basaltsäulen gezeigt werden. Mit der dort erfolgreich demonstrierten Methode, welche auf der Annahme beruht, dass die Rissausbreitung in Richtung der maximalen Energiefreisetzungsrate erfolgt, soll nun untersucht werden, wann die bisher ungeklärte Oszillation von Bruchflächen bei Basaltsäulen auftritt.