Materialdesign mit DIGIMAT

In der Software DIGIMAT kommt die „Top-Down“ Philosophie der Multiskalen Simulation zum Tragen. Auf der Kontinuumsmechanik basierende Verfahren werden zur Beschreibung der Material Mikrostruktur eingesetzt. Das ist zum einen die mathematische Homogenisierung (digimat-MF), zum Anderen wird die Methodik der FEM direkt auf die Mikrostruktur von Werkstoffen übertragen (digimat-FE).

Anwender dieser Methoden findet man auf zwei unterschiedlichen Gebieten. Die Material Designer sind Experten für Werkstoffe und zielen auf ein tiefes Verständnis von mikrostrukturierten Materialien. Sie benutzen daher DIGIMAT auf Forschungsniveau als virtuelles Materiallabor. Aber auch für Standardverfahren im Ingenieursalltag ist die Mikrostrukturierung von Werkstoffen wichtig - nämlich dann, wenn sie durch die Prozessierung des Bauteils verändert wird.

Im Bereich von spritzgegossenen, Glasfaser verstärkten Kunststoffen bietet DIGIMAT eine Materialbeschreibung, die diesem besonderen Werkstoff gerecht wird. Die Materialgesetze sind nichtlinear, von Dehnraten oder Temperatur abhängig und können, mit Versagensindikatoren versehen, in ANSYS oder LS-DYNA direkt eingesetzt werden. Viel wichtiger aber ist, dass automatisch die Ergebnisse aus Spritzgusssimulationen als Grundlage für die strukturelle FEM in einer komplett gekoppelten Simulationslösung verwendet werden. Damit wird die Prozessierung selbst in der FEM abgebildet.

Durch die Möglichkeit zur Verwaltung der Materialien im Modul digimat-MX kann der Anwender selber entscheiden, wie tief er in die Details der Multiskalensimulation vordringen will. Er kann zum Materialexperten werden oder auch einfach auf fertige Modelle zugreifen, die hier für ihn abgelegt wurden.

Das DIGIMAT Modul FE dient zum Generieren von Mikrostrukturen, die in ANSYS oder LS-DYNA einer detaillierten FE-Analyse unterzogen werden. Durch die vielfältige Wahl an Parametern können nahezu beliebige Mikrostrukturen erzeugt und so die mikrostrukturellen Charakteristiken unterschiedlichster Werkstoffe wiedergegeben werden. Die erzeugte Geometrie steht in verschiedenen CAD Formaten (IGES, STEP) für die FEM zur Verfügung und wird in der FEM unter der Berücksichtigung periodischer Randbedingungen aufbereitet.

Die FE-Analyse liefert den Einfluss von Zug und Scherung auf zum Beispiel die Spannungen oder den plastischen Verzug im Material. Die Verteilung dieser Größen im Material selbst kann im Detail ausgewertet werden. Dieser Blick in die Mikrostruktur des Materials ermöglicht sowohl die Optimierung von Werkstoffen als auch ein tieferes Verständnis von Verschleiß und Ermüdung unter Beanspruchung.

Ein weiterer Ansatz ist die Homogenisierung der Materialeigenschaften direkt aus der geometrischen Mikrostruktur. Die errechnete Materialsteifigkeit kann auf Makroebene für eine anschließende Simulation von Bauteilen verwendet werden.

Durch die hohe Rechengeschwindigkeit der in DIGIMAT implementierten mathematischen Homogenisierung (digimat-MF) kann diese Technologie über die Schnittstelle Digimat to CAE als direktes Interface für die Verwendung von nicht-linearen Mikro-Materialien in ANSYS und LS-DYNA verwendet werden. Das CAE Modul von DIGIMAT wird als benutzerdefinierte Subroutine mit dem jeweiligen Solver verlinkt. Der Ansatz stellt eine echte bidirektionale Multiskalen-Kopplung dar, bei der sich Änderungen in der Mikrostruktur des Materials in den Eigenschaften des mit der FEM berechneten Bauteils widerspiegeln. Zum Beispiel wirkt sich die Faserorientierung in einem Composite Material signifikant auf die plastische Verzerrung unter Zugbeanspruchung aus.

Allerdings geht die Funktionalität von Digimat to CAE weit über die Anwendung als reine Materialschnittstelle hinaus. Denn Digimat to CAE ermöglicht die Kopplung zwischen Spritzgusssimulation und Strukturmechanik, was eine wichtige Kernanwendung der Software darstellt. Die Mikrostruktur wird häufig stark durch den Herstellungsprozess eines Bauteiles beeinflusst. Für den Spritzguss bedeutet das, dass die lokale Faserorientierung im Composite durch den individuellen Fluss der Polymer Schmelze dominiert wird.

Digimat to CAE liest die Orientierungstensoren der Spritzgusssimulation ein (Moldflow, Moldex3D oder 3DSigma) und berechnet auf dieser Grundlage die Mikrostruktur des Composites. Zusammen mit vordefinierten Parametern wird auf dieser Grundlage an jedem Punkt des Bauteiles ein individuelles Material lokal zur Verfügung gestellt. Dieses Szenario spiegelt das tatsächliche Verhalten des Materials im realen Bauteil wieder und kann unter der Annahme von unterschiedlichstem Materialverhalten realisiert werden (nichtlinear, thermo-mechanisch oder Dehnraten abhängig).

Der Effekt auf die Ergebnisse in der FEM ist sehr deutlich. Nicht nur Unterschiede in der Mikrostruktur, wie sie zum Beispiel durch die Variation des Anspritzpunktes entstehen, werden korrekt abgebildet. Auch kritische Stellen wie Bindenähte werden jetzt erst in der Simulation sichtbar und können im Design des Bauteils berücksichtigt werden.

Aus Anwendersicht geschieht das Aufsetzen einer gekoppelten Simulation schnell und effektiv direkt aus der ANSYS Workbench heraus. Der integrierte DIGIMAT / ANSYS Workbench Wizard führt in wenigen Schritten durch alle wichtigen Schritte, inklusive des Mappens zwischen Spritzguss- und FEM- Netz.

Verwendet man unterschiedliche FEM Disziplinen wie Spritzguss und Strukturmechanik, so steht man vor der Situation, dass angepasst an die jeweilige Methode verschiedene Netze zum Einsatz kommen. Für die gekoppelte Simulation bedeutet dies, dass in der Regel das Netz aus der Spritzgusssimulation nicht optimiert ist für die Berechnung einer Strukturmechanik.

In der Praxis kommt dem Mapping zwischen den Netzen deshalb eine enorme Bedeutung zu. DIGIMAT bietet mit dem Modul map ein komfortables Tool, um Informationen wie Faserorientierungen, initiale Spannungen oder Temperaturen aus dem Spritzguss auf dem in der Strukturmechanik verwendeten Netz abzubilden. Je nach Datengrundlagen geschieht das Mapping elementweise oder basierend auf Knoten. Zudem ist es möglich, das Bauteil so wie es aus dem Spritzguss eingelesen wurde im Raum zu verschieben, die Orientierung zu verändern oder auch nur Teile der Struktur zu mappen. Dadurch wird die Integration des einzelnen Teils aus dem Spritzguss in komplette Baugruppen auf Seiten der strukturellen FEM möglich. Neben dieser Flexibilität in der Umsetzung kann über globale Kriterien innerhalb des DIGIMAT Moduls die Qualität des Mapping direkt überprüft werden, was Zeit für aufwendige Vergleichsanalysen in der gekoppelten Simulation spart.

Mit der DIGIMAT Version 4.0 kommt zu der bereits existierenden Technologie ein Modul hinzu, der den Umgang mit gekoppelten Simulationen in der Praxis stark vereinfacht: der „Materials Expert“ digimat-MX. Im Gegensatz zum Modul digimat-MF, in dem der Anwender notwendiger Weise selber Material Expertise haben sollte dient das Modul MX dazu, den Materialexperten zu ersetzen, so dass sich der Anwender auf die Optimierung seines Bauteils konzentrieren kann.

MX ist für einen schnellen Einstieg in die gekoppelte Simulation gedacht. Es bietet sowohl eine Datenbankfunktionalität für DIGIMAT Materialien, als auch einfache Tools zum automatisierten Reverse Engineering, also zum eigenen Erstellen von DIGIMAT Materialmodellen. Der Anwender kann so zum einen externes Know How nutzen. Denn viele namenhafte Hersteller von Polymer Materialien bieten bereits heute DIGIMAT Modelle für ihre Materialien über den MX an. Zum anderen kann der Anwender aber auch auf Basis von vordefinierten Materialgesetzen schnell und einfach eigene Modelle generieren, die an die eigene Messung angepasst werden.

Als Datenbank sammelt MX die Materialmodelle zentral für das ganze Unternehmen. Zusammen mit dem DIGIMAT ANSYS Workbench Wizard ist so gewährleistet, dass ganze Gruppen von Anwendern einen schnellen und einfachen Zugang zu gekoppelten Simulationen erhalten.

Micross ist ein Modul für die mikromechanische Modellierung von Composite Sandwichstrukturen. Unter Verwendung der implementierten Standarttests (Biege- und Scherversuche) können Composite Platten entwickelt und optimiert werden.

Die erforderlichen Materialdaten werden entweder auf makroskopischem Level angegeben oder auf Mikrostrukturniveau über Homogenisierung erzeugt. Durch die einfache und intuitive Handhabung ist die Software auch für in der FEM unerfahrene Benutzer sofort anwendbar.