Modeling and simulation of superelastic lattice structures

Abstract

Superelastizität ist eine charakteristische Eigenschaft von Formgedächtnislegierungen, welche die Reversibilität großer Dehnungen, deren Ursprung in mechanischen Belastungen liegt, ermöglicht. Um den Einfluss von superelastischem Material in Gitterstrukturen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode vorherzusagen, benötigt es zuverlässige Konstitutivgesetze. Das Ziel dieser Arbeit ist die Validierung eines einachsigen hypoelastischen Materialmodells, welches zur Simulation balkenmodellierter Gitterstrukturen entwickelt wurde, deren superelastischen Materialeigenschaften auf experimentell erfassten Daten basiert. Der Validierungsprozess basiert auf Vergleichen mit einem etablierten Materialmodell für Superelastizität. Die Modellierungsstrategien von drei verschiedenen Variationen von Elementarzellen werden präsentiert, sowie numerische Analysen für den Lastfall des einachsigen Zuges und der reinen Scherung durchgeführt. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen zeigen, dass das untersuchte uniaxiale hypoelastische Materialmodell gut für die Analyse von Gitterstrukturen superelastischer Materialien geeignet ist. Das Materialmodell ermöglicht eine unkomplizierte Kalibrierung und ist daher eine effektive Lösung für Forschungsbereiche wie dem 3D-Druck von Gitterstrukturen, bei dem es bei der Untersuchung verschiedener Verarbeitungsparameter oft zu Änderungen der Materialeigenschaften kommt und daher häufige Kalibrierungen des Materialmodells erforderlich sind.

Superelasticity is a prominent effect in shape memory alloys that enables the recovery of large amounts of strains initially induced by mechanical loads. To predict the influence of superelastic parent material in lattice structures with the aid of the Finite Element method, reliable constitutive material models are required.The aim of this thesis is the validation of a uniaxial hypoelastic material model developed for simulating beam-modeled lattice structures with experimentally determined superelastic material properties. The validation process is based on comparisons with a well established material model for superelasticity. The modeling strategies of three different unit cell designs are presented, and numerical analyses are conducted on them for the load case of uniaxial tension and pure shear. The results of the numerical simulations show that the investigated uniaxial hypoelastic material model is well suited for the analysis of lattice structures of superelastic material. The material model provides a straightforward calibration with a direct link to the experimental data. It is therefore an effective solution for research fields such as additive manufacturing of lattice structures, in which frequent shifts of material properties need to be handled, when different processing parameters are investigated.