Implementierung eines Post-Processing-Tools zur Bestimmung des lokalen Spannungsvektors an Materialgrenzen

Abstract

Im Maschinenbau wird der Werkstoff als Motor für Innovationen gesehen. Trotz der bis heutigen Dominanz von Stahl als Werkstoff im Maschinenbau sind Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde wegen ihrer Vorteile gegenüber konventionellen Materialien weit verbreitet. Es ergeben sich neue Möglichkeiten in zahlreichen Branchen wie der Luft-und Raumfahrt, der Automobilindustrie, Elektrotechnik, usw. Das Verhalten von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden ist i.A. schwieriger zu verstehen und zu berechnen, als es die Betrachtungen bzw. Methoden des klassischen Maschinenbaus zulassen. Durch die Entwicklung neuer Theorien und dem Einsatz numerischer Berechnungsmethoden ist es möglich das Verhalten von Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde zu simulieren um zuverlässige Prädiktionen zu generieren. Die Materialgrenzen, sogenannte Interfaces, haben einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden und können beim Versagen dieser eine wesentliche Rolle übernehmen. Daher sollten die Interfaces, die den Zusammenhalt der verschiedenen Materialien gewährleisten, näher untersucht werden, um Erkenntnisse bezüglich des Versagens des Interfaces zu erhalten. Das Ziel der Arbeit ist es, ein Post-Processing-Tool für die Finite-Elemente Software Abaqus zu entwickeln, das den Spannungszustand an Materialgrenzen in Form der Spannungsvektoren auswertet, unter der Annahme einer perfekten Verbindung der Materialien. Damit soll es möglich sein Erkenntnisse über das Verhalten an Materialgrenzen zu bekommen ohne das Interface explizit zu modellieren. Dazu wird das Ergebnis aus der Datenbasis einer Analyse mit Hilfe der Finiten-Elemente Methode (FEM) verwendet und die notwendigen Daten für das Postprocessing ausgelesen, verarbeitet und die Ergebnisse in der Datenbasis gespeichert. Der Post-Processing-Algorithmus wurde durch Testfälle auf seine Funktion geprüft. Die Art der Testfälle sind einfache Beispiele, wie eine Stabtorsion bis hin zur komplexen Einheitszelle mit beschichteten, kugelförmigen Inklusionen. Die Gültigkeit der Ergebnisse ist entweder durch Theorie, Vergleich anderer numerischer Ergebnisse oder durch Plausibilität erfolgt. Es zeigte sich, dass der Algorithmus im Rahmen der Anforderungen gute Ergebnisse liefert. Gegenwärtig stehen drei Kontinuumselemente im Tool zur Verfügung. Diese sind die Hexaeder mit linearen oder quadratischen Interpolationsfunktionen (IF) (C3D8 bzw.C3D20) sowie der Tetraeder mit quadratischen IF (C3D10). Das Tool wurde objektorientiert in Python umgesetzt und bietet aufgrund des modularen Aufbaus die Möglichkeiten zukünftig weiterer Elementtypen oder zusätzliche Funktionen zu implementieren.

Materials are considered as the driver of innovation in mechanical engineering. Although steel is still the most used material in mechanical engineering, composite materials and material compounds have reached a wide field of applications due to their advantages compared to conventional materials. Therefore, new possibilities in different industries for example aerospace industry, automotive industry, electrical engineering, etc. may result. The behavior of composite materials and material compounds are difficult to understand and to analyze. Establishing reliable calculations by using the considerations and methods provided in classic mechanical engineering is no longer possible. By developing of new theories and the application of numeric methods the behavior of composite materials and material compounds can be simulated to gain reliable predictions. The material-interfaces, have a significant influence on the failure behavior of composite materials and material compounds. Hence, the interfaces, which are responsible to hold the constituents together, should be investigated to obtain information about their failure behavior. The aim of this paper is to implement a post-processing-tool for the Finite-Element-Software Abaqus to establish the local traction vector at material interfaces. Under the assumption of a perfect interface (perfect bond of the constituents) it should be able to obtain findings about the interface behavior without an explicit modeled interface. The results of Finite-Element-Analyses contained in a database will be used to read the desired data for the post-processing. Next the read data will be processed and the results finally saved back in the database. The post-processing-algorithm has been proofed by several test cases, which were a simple rod under torsion to complex unit cells consisting of randomly distributed, coated inclusion. The results of the test cases were validated by theory, comparison with other numerical results or plausibility. Summarizing, the algorithm provides good matching results. Currently, three different element types are implemented. The elements are a hexahedron-element with linear interpolation functions (C3D8), a tetrahedron-element (C3D10) and a hexahedron-element (C3D20), which each of it have quadratic interpolation functions. The tool has been developed by programming in an object-oriented manner in python. Hence, in future it is possible to add new element types or additional functions.