Mikrostrukturbasierte Simulation inhomogener Werkstoffe

Abstract

Technische Werkstoffe und natürliche Materialien weisen häufig eine mehrphasige, inhomogene Mikrostruktur auf. Die mechanischen Gesamteigenschaften solcher Werkstoffe und Materialien werden durch den Volumenanteil, die Form und Anordnung, sowie die charakteristischen Eigenschaften der einzelnen Phasen bestimmt. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen diesen mikrostrukturellen Parametern und den makroskopischen Gesamteigenschaften gewinnt für den effizienten Einsatz mehrphasiger Werkstoffe in lasttragenden Anwendungen zunehmend an Bedeutung: Eine möglichst genaue Beschreibung des Mikrostruktureinflusses ist Voraussetzung für das gezielte Einstellen von Werkstoffeigenschaften und das Erreichen von hohen Materialausnutzungsgraden. Neben werkstoffanalytischen Methoden und werkstoffmechanischen Prüfverfahren können numerische Berechnungsansätze dazu beitragen, den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Gesamteigenschaften eines Werkstoffs oder Materials besser zu verstehen und zu beschreiben. Mittels simulierter mechanischer Tests an „virtuellen“ Proben im Rechner lassen sich die Einflüsse von Mikrostrukturveränderungen unmittelbar nachvollziehen. Dadurch können die zu erwartenden Werkstoffeigenschaften abgeschätzt, die Probenanzahl reduziert und die Ergebnisse realer Versuche interpretiert werden. Im Seminarvortrag werden die Grundlagen der numerischen Simulation von Werkstoffen und Materialien mit inhomogener Mikrostruktur umrissen. Der Fokus liegt auf der Bestimmung von effektiven Materialkennwerten durch Homogenisierung von diskreten Mikrostrukturmodellen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dabei wird insbesondere auf die Wahl der richtigen Modellgröße und von geeigneten Randbedingungen eingegangen. Die praktische Anwendbarkeit mikrostruktur-basierter FEM-Simulationen wird anhand verschiedener Fallbeispiele erläutert und diskutiert.