Unterschiedliche mechanische Tests unter verschiedenen Lastbedingungen, wie ein und zwei achsige Zug-, Schub- und ebene Dehnungsbelastungen, werden genutzt, um fortgeschrittene Stoffgesetze zu kalibrieren. Mit Ausnahme des einachsigen Zugversuches sind diese Testverfahren in der Regel kostenintensiv oder aufwendig in der Durchführung und Auswertung. Ferner ist die Genauigkeit dieser ungenormten Tests nicht garantiert. Diese Arbeit stellt drei inverse Konzepte vor, die zur Kalibrierung der Stoffgesetze entweder lediglich eine Zugprüfmaschine oder aber zusätzlich eine Universalblechprüfmaschine erfordern. Ausgehend von diesen Konzepten besteht die Möglichkeit, die gewünschte Simulationsgenauigkeit mithilfe einer einfachen, in vielen Industrielaboren zur Verfügung stehenden Prüfungseinrichtung auf wirtschaftliche Weise zu erzielen.

In dieser Dissertation werden zunächst Materialeigenschaften von mehreren weichen, höher- und hochfesten Stahlsorten im Hinblick auf Dehnraten, Verfestigung und Fließort basierend auf monotonen mechanische Tests untersucht. Ausgehend von einachsigen Zugversuchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wird zur adäquaten Modellierung der Dehnratenabhängigkeit ein Konzept vorgeschlagen, das durch User-Routinen mit den Fließortgesetzen Yld2000-2d (Barlat et al., 2003) und Yld2004-18p (Barlat et al., 2005) gekoppelt wird. Das Gestaltänderungsverhalten des Fließortes im ein- und zweiachsigen Zug- und Schubspannungsbereich wird mittels Kreuzzug-, hydraulischen Tiefungs-, einachsigen Zug- und Scherversuchen analysiert. Es wird ferner gezeigt, dass sich die Gestaltänderung vornehmlich auf eine plastische Verformung von 0.04 beschränkt. Dies legt den Einsatz einer isotropen Verfestigungsmodellierung jenseits der genannten Verformung nahe. Die numerischen Simulationen für den Napfziehversuch eines weichen Stahles haben demonstriert, dass die bei einer Verformung ab einem Dehnungspunkt von 0.04 optimierte Fließortskurve, repräsentativ für die gesamte Verformung eingesetzt werden kann, ohne die anfängliche Gestaltänderung zu berücksichtigen. Die Annahme einer isotropen Verfestigung bei Dehnungen oberhalb von 0.04 impliziert ein konstantes Spannungsverhältnis zwischen den verschiedenen Belastungsbereichen des Fließortes. Durch die Einteilung der untersuchten Materialien in Stähle mit niedrigem bzw. hohem r-Wert, werden die äqui-biaxialen Zugspannungen je Stahlklasse durch einen konstanten Faktor mit den einachsigen Fließspannungen korreliert. Diese Vorgehensweise ermöglicht näherungsweise die Bestimmung der äqui-biaxialen Fließspannung oberhalb der 0.04 äquivalenten plastischen Dehnung, ohne den Rückgriff auf die konventionellen biaxialen Testverfahren, nur auf der Basis von standardisierten Zugversuchen.

Drei inverse Methoden, basierend auf den Ergebnissen dieser Studie im Hinblick auf die Dehnraten, die Verfestigung und den Fließort werden vorgeschlagen, um die konstitutiven Parameter von komplexen phänomenologischen Modellen zu optimieren. Die erste Methode dient zur Extrapolation der Fließkurve aus den Daten des einachsigen Zugversuchs jenseits der materialspezifischen Gleichmaßdehnung anhand der vorgeschlagenen Dehnratenmodellierung. Die zweite Methode gestattet die Kalibrierung von Fließortmodellen wie Yld2000-2d (Barlat et al., 2003) mit insgesamt neun Werkstoffkoeffizienten und benötigt dabei lediglich Napf- und einachsige Zugversuche. Auf Basis der gemessenen Dehnungen des mittels Halbkugelstempel gezogenen Napfes wird die Identifikation des Fließortes in den Äqui-biaxial-, ebene Dehnungs- und Schubzonen ermöglicht. Die dritte Methode gestattet die Identifizierung der Materialkonstanten von Fließortmodellen mit neun Parametern anhand von einachsigen Zug- und ebenen Dehnungsversuchen. Hierbei wird die Äqui-biaxiale Fließspannung ausgehend von der einachsigen Fließkurve und der entsprechenden Korrelation für Stähle mit niedrigem bzw. hohem r-Wert angenähert. Die Anwendbarkeit dieser drei Methoden wurde in Laborversuchen auch an einem komplexen, tiefgezogenen Bauteil aus der Praxis überprüft. Damit wird das Potenzial aber auch die Universalität der vorgeschlagenen Methoden nachgewiesen.

Dortmunder Umformtechnik