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März 2014
Andrea Hosten
Numerische Modellierung dynamischer Belastungen von Stählen
Zur Beschreibung des Gebrauchsverhaltens unter Belastung stehender Stahlbauteile bei dynamischer Beanspruchung wird traditionell auf das Verfestigungs- und Versagensmodell nach Johnson-Cook zurückgegriffen. Bedingt durch die unabhängige (ungekoppelte) Betrachtung von Verfestigung und Versagen weisen die über diese Form der Modellierung gewonnenen Ergebnisse häufig Abweichungen zu den Ergebnissen experimenteller Untersuchungen auf.
Um dieser Problematik gerecht zu werden, wird in der vorliegenden Arbeit ein neues, gekoppeltes und isotropes Modell zur Beschreibung der Verfestigungs- und Versagensprozesse entwickelt: Durch diese Kopplung wird der Einfluss des Werkstoffversagens auf die Verfestigung berücksichtigt. Ergänzend wird neben duktiler Schädigung auch der Fall des spröden Versagens betrachtet.
Zur Modellentwicklung werden für unterschiedliche hochfeste Stähle die Werkstoffparameter anhand quasistatischer und dynamischer Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen kalibriert. Um auch sehr hohen Dehnraten Rechnung zu tragen, werden ergänzend Split-Hopkinson-Bar-Versuche durchgeführt. Die derart ermittelten Parameter werden durch Simulation mit den Ergebnissen von Kerbschlagbiegeversuchen verglichen, um die Gültigkeit der getroffenen Annahmen zu bestätigen. Abschließend wird die Anwendbarkeit des neu entwickelten Modells zur Beschreibung von Drop-Weight-Tear-Tests und Ansprengung validiert und verifiziert.
Die Auswertung der experimentellen Ergebnisse und der Abgleich der dort gewonnenen Werte mit den aus der Simulation erhaltenen Parametern bestätigt die Anwendbarkeit des vorgestellten Modells. Insgesamt ist das vorgestellte, gekoppelte Modell in der Lage, reale dynamische Belastungen adäquat in numerischen Simulationen darzustellen. Ergänzend konnte nachgewiesen werden, dass neben der duktilen Schädigung auch der Einfluss spröden Versagens von entscheidender Bedeutung ist und angemessener Berücksichtigung bedarf.
Um dieser Problematik gerecht zu werden, wird in der vorliegenden Arbeit ein neues, gekoppeltes und isotropes Modell zur Beschreibung der Verfestigungs- und Versagensprozesse entwickelt: Durch diese Kopplung wird der Einfluss des Werkstoffversagens auf die Verfestigung berücksichtigt. Ergänzend wird neben duktiler Schädigung auch der Fall des spröden Versagens betrachtet.
Zur Modellentwicklung werden für unterschiedliche hochfeste Stähle die Werkstoffparameter anhand quasistatischer und dynamischer Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen kalibriert. Um auch sehr hohen Dehnraten Rechnung zu tragen, werden ergänzend Split-Hopkinson-Bar-Versuche durchgeführt. Die derart ermittelten Parameter werden durch Simulation mit den Ergebnissen von Kerbschlagbiegeversuchen verglichen, um die Gültigkeit der getroffenen Annahmen zu bestätigen. Abschließend wird die Anwendbarkeit des neu entwickelten Modells zur Beschreibung von Drop-Weight-Tear-Tests und Ansprengung validiert und verifiziert.
Die Auswertung der experimentellen Ergebnisse und der Abgleich der dort gewonnenen Werte mit den aus der Simulation erhaltenen Parametern bestätigt die Anwendbarkeit des vorgestellten Modells. Insgesamt ist das vorgestellte, gekoppelte Modell in der Lage, reale dynamische Belastungen adäquat in numerischen Simulationen darzustellen. Ergänzend konnte nachgewiesen werden, dass neben der duktilen Schädigung auch der Einfluss spröden Versagens von entscheidender Bedeutung ist und angemessener Berücksichtigung bedarf.
Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. W. Bleck, Prof. Dr.-Ing. U. Krupp, Prof. Dr.-Ing. S. Münstermann und Prof. Dr.-Ing. D. Senk, Aachen
Band 2014,1
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Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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