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Ein Konzept zur on-line Implementierung von analogen Messwerten innerhalb strukturmechanischer FEM-Simulationen

Erbe, Alexander (2024)
Ein Konzept zur on-line Implementierung von analogen Messwerten innerhalb strukturmechanischer FEM-Simulationen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027564
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im konventionellen Auslegungskontext ist es erforderlichen, dass die Beanspruchbarkeit an versagenskritischen Stellen nachgewiesen und zur Bewertung entsprechende FEM-Ersatzmodelle mit Betriebs- und Randbedingungen versehen werden. Die Auslegung basiert meist auf einigen wenigen Betriebspunkten. Großes Potential ergibt sich durch die direkte Berücksichtigung von messtechnisch erfassten Größen am Bauteil. Mit modernen Methoden des CAE wird eine strukturmechanische FEM-Berechnung der zu betrachtenden Komponente direkt durchgeführt. Durch solche eine Verknüpfung von Messgrößen gekoppelt durch Eingangsgrößen mit einer strukturmechanischen FEM-Simulation kann auf der realen Datenbasis eine Darstellung und auch eine Bewertung von lokalen Beanspruchungsgrößen erfolgen. Bei der Verwendung von geeigneten Materialmodellen ist es überdies sogar möglich, den Schädigungszustand im Monitoring zu betrachten. In einem weiteren Schritt ist denkbar die Koppelung und Verknüpfung in Echtzeit stattfinden zu lassen und so fortlaufend auf Basis von numerischen Simulationen strukturmechanische Zustandsgrößen zur Verfügung zu stellen. Zur Umsetzung einer Messdaten gekoppelten Simulation in quasi Echtzeit ist es erforderlich, benötigte Teilsystem, Module und Schnittstellen zu identifizieren und in einen interaktiven Austausch miteinander zu bringen. Zur Demonstration des Konzepts wird ein Prüfstand zur Charakterisierung von Werkstoffproben unter Hochtemperatur betrachtet. Die Auflösung der lokalen Beanspruchungsgrößen wird am Beispiel einer bauteilähnlichen Geometrie mit geometrischen Kerben für verschiedene Modellansätze gezeigt. Dabei handelt es sich im Konkreten um die Untersuchung von dünnen Strukturen in Form von Stumpfstoßschweißverbindungen bei Hochtemperatur unter LCF-Beanspruchung. Zur Darstellung von lokalen Beanspruchungen werden lokale Ansätze nach den lokalen Konzepten herangezogen. Zur Geometriebereitstellung wird ein Triangulationsverfahren verwendet, sodass damit reale Geometrien berücksichtigt werden. Zur Abbildung der analogen Messsignale in der FEM-Umgebung wird eine Schnittstelle über interne programmspezifische Subroutinen des FEM-Programms realisiert. Randbedingungen und Prozessgrößen (Messsignale) werden damit kontinuierlich der FEM-Umgebung zur Verfügung gestellt. Weiterhin werden zwei verschiedene Materialmodellierungsansätze hinsichtlich der Einsatzfähigkeit in dem konzeptionellen Rahmen betrachtet und untersucht. Das erste betrachtete Modell wird auf Basis von multilinearen Spannungs-Dehnungsbeziehungen mit kinematischer Verfestigung (Besseling) und temperaturabhängig implementiert. Zeitabhängige Phänomene kommen an dieser Stelle nicht zum Tragen und werden auch nicht mit abgebildet. Im Berechnungsmodus nachrechnen (bestehende Messwerte werden dem Ringspeicher als Sollwertvorgabe entnommen) liefert der Modellansatz sowohl im 2D (2D Geometrieschnitt) als auch 3D-Fall (volle 3D Geometrie) zuverlässige Ergebnisse hinsichtlich der lokal aufgelösten Beanspruchungen. Die Ergebnisse bei Anwendung der 2D-Variante zeigen die gleichen lokalen Ergebnisse wie bei Anwendung der 3D-Variante (örtlich aufgelöste Bauteilkerben, Schweißnahtkerbe). Beim Eintreten des Falles - Simulation rechnet schneller als Messdaten zur Verfügung gestellt werden können - kommt dieser gewählte Ansatz an seine Grenzen. Eine Berechnung von FEM-Größen ist in diesem Fall nicht mehr möglich und ein Abbruch der Berechnung tritt ein. Zur Lösung dieser Problematik wird das visko-plastische und chaboche-angelehnte Materialmodell KORA implementiert und für den Versuchswerkstoff benötigte Parameter bestimmt. Weiterhin bietet das Modell die Möglichkeit zeitabhängige Phänomene abbilden zu können und die Beschreibung einer Schädigungsgröße zu liefern. Aus Sicht der Realisierbarkeit von Echtzeitfähigkeit ist bei diesem Modell zu nennen, dass über die externe Subroutinen-Steuerung auf interne Zustandsgrößen (Zeitschrittweitensteuerung) zugegriffen werden kann und diese extern gesteuert wird. Durch eine gezielte Modelloptimierung bei gleichzeitiger Reduzierung des Berechnungsaufwandes (Verlagerung des Fokus auf eine kritische lokale Position) kann der Berechnungsaufwand erheblich reduziert werden, sodass eine Berechnung der strukturmechanischen Größen sicher in quasi Echtzeit stattfinden kann.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Erbe, Alexander
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Ein Konzept zur on-line Implementierung von analogen Messwerten innerhalb strukturmechanischer FEM-Simulationen
Sprache: Deutsch
Referenten: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Melz, Prof. Dr Tobias
Publikationsjahr: 21 Juni 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xvi, 191 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 22 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00027564
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27564
Kurzbeschreibung (Abstract):

Im konventionellen Auslegungskontext ist es erforderlichen, dass die Beanspruchbarkeit an versagenskritischen Stellen nachgewiesen und zur Bewertung entsprechende FEM-Ersatzmodelle mit Betriebs- und Randbedingungen versehen werden. Die Auslegung basiert meist auf einigen wenigen Betriebspunkten. Großes Potential ergibt sich durch die direkte Berücksichtigung von messtechnisch erfassten Größen am Bauteil. Mit modernen Methoden des CAE wird eine strukturmechanische FEM-Berechnung der zu betrachtenden Komponente direkt durchgeführt. Durch solche eine Verknüpfung von Messgrößen gekoppelt durch Eingangsgrößen mit einer strukturmechanischen FEM-Simulation kann auf der realen Datenbasis eine Darstellung und auch eine Bewertung von lokalen Beanspruchungsgrößen erfolgen. Bei der Verwendung von geeigneten Materialmodellen ist es überdies sogar möglich, den Schädigungszustand im Monitoring zu betrachten. In einem weiteren Schritt ist denkbar die Koppelung und Verknüpfung in Echtzeit stattfinden zu lassen und so fortlaufend auf Basis von numerischen Simulationen strukturmechanische Zustandsgrößen zur Verfügung zu stellen. Zur Umsetzung einer Messdaten gekoppelten Simulation in quasi Echtzeit ist es erforderlich, benötigte Teilsystem, Module und Schnittstellen zu identifizieren und in einen interaktiven Austausch miteinander zu bringen. Zur Demonstration des Konzepts wird ein Prüfstand zur Charakterisierung von Werkstoffproben unter Hochtemperatur betrachtet. Die Auflösung der lokalen Beanspruchungsgrößen wird am Beispiel einer bauteilähnlichen Geometrie mit geometrischen Kerben für verschiedene Modellansätze gezeigt. Dabei handelt es sich im Konkreten um die Untersuchung von dünnen Strukturen in Form von Stumpfstoßschweißverbindungen bei Hochtemperatur unter LCF-Beanspruchung. Zur Darstellung von lokalen Beanspruchungen werden lokale Ansätze nach den lokalen Konzepten herangezogen. Zur Geometriebereitstellung wird ein Triangulationsverfahren verwendet, sodass damit reale Geometrien berücksichtigt werden. Zur Abbildung der analogen Messsignale in der FEM-Umgebung wird eine Schnittstelle über interne programmspezifische Subroutinen des FEM-Programms realisiert. Randbedingungen und Prozessgrößen (Messsignale) werden damit kontinuierlich der FEM-Umgebung zur Verfügung gestellt. Weiterhin werden zwei verschiedene Materialmodellierungsansätze hinsichtlich der Einsatzfähigkeit in dem konzeptionellen Rahmen betrachtet und untersucht. Das erste betrachtete Modell wird auf Basis von multilinearen Spannungs-Dehnungsbeziehungen mit kinematischer Verfestigung (Besseling) und temperaturabhängig implementiert. Zeitabhängige Phänomene kommen an dieser Stelle nicht zum Tragen und werden auch nicht mit abgebildet. Im Berechnungsmodus nachrechnen (bestehende Messwerte werden dem Ringspeicher als Sollwertvorgabe entnommen) liefert der Modellansatz sowohl im 2D (2D Geometrieschnitt) als auch 3D-Fall (volle 3D Geometrie) zuverlässige Ergebnisse hinsichtlich der lokal aufgelösten Beanspruchungen. Die Ergebnisse bei Anwendung der 2D-Variante zeigen die gleichen lokalen Ergebnisse wie bei Anwendung der 3D-Variante (örtlich aufgelöste Bauteilkerben, Schweißnahtkerbe). Beim Eintreten des Falles - Simulation rechnet schneller als Messdaten zur Verfügung gestellt werden können - kommt dieser gewählte Ansatz an seine Grenzen. Eine Berechnung von FEM-Größen ist in diesem Fall nicht mehr möglich und ein Abbruch der Berechnung tritt ein. Zur Lösung dieser Problematik wird das visko-plastische und chaboche-angelehnte Materialmodell KORA implementiert und für den Versuchswerkstoff benötigte Parameter bestimmt. Weiterhin bietet das Modell die Möglichkeit zeitabhängige Phänomene abbilden zu können und die Beschreibung einer Schädigungsgröße zu liefern. Aus Sicht der Realisierbarkeit von Echtzeitfähigkeit ist bei diesem Modell zu nennen, dass über die externe Subroutinen-Steuerung auf interne Zustandsgrößen (Zeitschrittweitensteuerung) zugegriffen werden kann und diese extern gesteuert wird. Durch eine gezielte Modelloptimierung bei gleichzeitiger Reduzierung des Berechnungsaufwandes (Verlagerung des Fokus auf eine kritische lokale Position) kann der Berechnungsaufwand erheblich reduziert werden, sodass eine Berechnung der strukturmechanischen Größen sicher in quasi Echtzeit stattfinden kann.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In the conventional design context, it is necessary that the stressability at failure-critical points is verified and corresponding FEM substitute models are provided with operating and boundary conditions for assessment. The design is usually based on a few operating points. Great potential results from the direct consideration of measured conditions on the component. With modern methods of CAE, a structural mechanics FEM calculation of the component under consideration is carried out directly. By such a linkage of measured quantities coupled by input quantities with a structural-mechanical FEM simulation, a representation and also an evaluation of local stress quantities can take place on the real data basis. If suitable material models are used, it is even possible to monitor the state of damage. In a further step, it is conceivable to have the coupling and linking take place in real time and thus to provide structural-mechanical state variables continuously on the basis of numerical simulations. Such a combination of measured variables and input variables to a structural-mechanical FEM simulation allows a representation and also an evaluation of local stress variables to be carried out on the real data basis. If suitable material models are used, it is even possible to monitor the state of damage. In a further step, it is conceivable to have the coupling and linking in real time, so that the structural variables are continuously available as monitoring variables on the basis of simulations. This provides new possibilities with regard to the determination and planning of maintenance and revision intervals. Real-time simulation and consideration of the material condition can provide the opportunity to define condition-based maintenance and to gain planning capability. In order to implement a simulation coupled with measurement data in virtually real time, it is necessary to identify required subsystems, modules and interfaces and to put them into an interactive exchange with each other. To demonstrate the concept, a test rig for characterizing material samples under high temperature is considered as an object. The resolution of local stress variables is demonstrated using an exemplary component geometry with geometric notches for different model approaches. Specifically, this involves the investigation of thin structures in the form of butt welded joints at high temperature under LCF loading. Local approaches according to the local concepts are used to represent local stresses. A triangulation method is used to provide geometry, so that real geometries are taken into account. For the mapping of the analog measurement signals in the FEM environment, an interface is implemented via internal program-specific subroutines of the FEM software. Boundary conditions and process variables (measurement signals) are thus continuously made available to the FEM environment. Furthermore, two different material modeling approaches are considered and investigated with respect to their applicability in the conceptual framework. The first model is implemented on the basis of multilinear stress-strain relations with kinematic hardening (Besseling) and temperature dependency. Time-dependent phenomena are not considered at this point. In the calculation mode recalculate (existing measured values are taken from the ring buffer as nominal values), the model approach provides reliable results with respect to the locally resolved stresses in both the 2D (2D geometry section) and 3D cases (full 3D geometry). The results by using the 2D variant show the same local results compared to the 3D variant (locally resolved weld notch). When the case - simulation computes faster than measured data can be provided - occurs, this chosen approach reaches its limits. In this case, a calculation of FEM quantities is no longer possible and a termination of the calculation occurs. To solve this problem, the visco-plastic and Chaboche-based material model KORA is implemented and the parameters required for the test material are determined. Furthermore, the model offers the possibility to represent time-dependent phenomena and to provide the description of a damage variable. From the point of view of the feasibility of real-time capability, it should be mentioned that internal state variables (time-step control) can be accessed and externally controlled via the external subroutine control. Through a targeted model optimization with simultaneous reduction of the computational effort (shifting the focus to a critical local position), the computational effort can be significantly reduced, so that a calculation of the structural mechanical quantities can safely take place in real time.

Englisch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275647
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA) > Hochtemperaturwerkstoffe
Hinterlegungsdatum: 21 Jun 2024 13:51
Letzte Änderung: 24 Jun 2024 05:45
PPN:
Referenten: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Melz, Prof. Dr Tobias
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 22 November 2023
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