FE{Umsetzung von nichtlinearem Materialverhalten mit ABAQUS TU Darmstadt | FB 13 / Festk(cid:127)orpermechanik Wintersemester 2014/2015 apl. Prof. Dr.{Ing. Herbert Baaser [email protected] Stand: 17. Januar 2015 Bingen & Darmstadt | Arbeitsversion { nicht korrigierte Fassung | Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 5 2 Struktur der Lehrveranstaltung 6 2.1 Planung, Informationen & Bewertung . . . . . . . . . . . . . . 6 3 Verwendung von Abaqus 7 3.1 Login und Verzeichnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Struktur von Abaqus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2.1 Kurz{Tutorium am Beispiel eines O{Rings . . . . . . 7 3.2.2 Direkter Aufruf von der Konsole . . . . . . . . . . . . 13 I Theorie | Grundlagen 14 4 Mathematische Grundlagen 15 4.1 Skalare, Vektoren und Tensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.2 Hauptachsentransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.3 Notation, Matrix{Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.4 Polare Zerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5 Elemente der Kontinuumsmechanik | Grundlagen der Festk(cid:127)orpermechanik 19 5.1 Deformationsgradient und Verzerrungsma(cid:25)e . . . . . . . . . . 19 5.1.1 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 5.2 Verzerrungsraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.3 Deformationsinvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.4 Mechanische Spannung | Konjugierte Spannungstensoren . . 25 5.4.1 Voigt{Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5.4.2 Spannungsleistung & konjugierte Spannungstensoren . 27 5.4.3 Vorgehen in FEM{Programmsystemen . . . . . . . . . 27 5.4.4 Spannungsraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1 5.5 Verknu(cid:127)pfung von Spannung und Dehnung | Materialmodul . 29 6 Elastisches Materialverhalten 30 6.1 Linear{elastisches Materialverhalten | Hookesches Gesetz . 30 6.2 Hyperelastizit(cid:127)at . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6.2.1 Quasi{inkompressible Darstellung . . . . . . . . . . . . 32 7 Inelastisches Materialverhalten 35 7.1 Motivation. 1{D Reibmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 7.2 Plastisches Materialverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.2.1 Integrationsalgorithmusfu(cid:127)rratenunabh(cid:127)angigePlastizit(cid:127)at 36 7.2.2 Return{Mapping{Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . 37 7.3 Klassische J {Plastizit(cid:127)at . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2 7.3.1 Exakte Linearisierung des Algorithmus . . . . . . . . . 44 7.4 Modellierung duktiler Sch(cid:127)adigung . . . . . . . . . . . . . . . . 45 7.4.1 Ph(cid:127)anomene von Sch(cid:127)adigung in metalischen Werkstoffen 45 7.4.2 Kontinuumssch(cid:127)adigungsmodell . . . . . . . . . . . . . . 45 7.4.3 Konstitutivgleichungen nach Gurson und Tvergaard 46 7.4.4 Numerische Umsetzung nach Aravas . . . . . . . . . . 48 7.5 Behandlung (cid:12)niter Inelastizit(cid:127)at . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8 Grundlagen der Methode der finiten Elemente 54 8.1 Schwache Form | Prinzip der virtuellen Verschiebungen . . . 54 8.2 Linearisierung und Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.2.1 Typen (cid:12)niter Elemente in der Strukturmechanik . . . . 57 8.3 Iteratives Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.3.1 Globales Newton{Verfahren . . . . . . . . . . . . . . 59 8.3.2 Vorgehen in Abaqus { oder jedem anderen vergleich- baren FEM{Programmsystem ! . . . . . . . . . . . . . 60 8.3.3 Behandlung gro(cid:25)er, linearer Gleichungssysteme . . . . 61 8.3.4 Iterative L(cid:127)osung des globalen Gleichungssystems . . . 61 II Anwendungen 64 9 Parameter{Identi(cid:12)kation 65 9.1 Beispiel: Hyperelastische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 65 9.1.1 Einaxiale Darstellung des neo{Hooke{Modells . . . . 65 9.1.2 Yeoh{Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 9.2 Versuchsanordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 9.3 Fehler{Quadrat{Minimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2 10 Implementierung von Materialmodellen 68 10.1 Hyperelastische Modelle u(cid:127)ber UHYPER . . . . . . . . . . . . . . 68 10.1.1 Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 10.1.2 Zwangsbedingung Inkompressibilit(cid:127)at . . . . . . . . . . 69 10.1.3 Aktivieren / Ansprechen in Abaqus . . . . . . . . . . 69 10.2 Allgemeine Material{Schnittstelle UMAT . . . . . . . . . . . . . 69 10.2.1 Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 10.2.2 Bestimmung des Moduls D . . . . . . . . . . . . . . . . 69 III Fortran77{Programmierung 72 11 F77{Compiler 73 11.1 Fortran77{Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 11.2 Fortran77{Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 IV U(cid:127)bungsaufgaben 75 12 Anwendung von Abaqus 76 12.1 Berechnung von Deformationsma(cid:25)en . . . . . . . . . . . . . . 76 12.1.1 Hauptachsenzerlegung fu(cid:127)r simple shear . . . . . . . . . 76 12.2 Einaxiale Darstellung und Ableitung des Yeoh{Modells . . . 77 12.3 Parameter{Anpassung | Fehler{Quadrat{Minimierung . . . . 78 12.4 Anwendung von Abaqus Cae . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 12.4.1 Post-Processing am Beispiel eines O-Rings . . . . . . . 79 12.4.2 Simulation einer axialsymmetrischen Struktur . . . . . 79 12.4.3 Hertzsche Pressung | Linienkontakt | a = l . . . . 80 12.4.4 Drei{Punkt{Biegung | Plastische Zone . . . . . . . . 81 12.5 Programmierbeispiele von Materialmodellen . . . . . . . . . . 82 12.5.1 Yeoh in UHYPER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 12.5.2 ImplementierungdesVan der Waals{ModellsinABAQUS in UHYPER und Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 13 F77{Programmierung 84 13.1 Matrix{Multiplikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 13.2 Matrix{Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 13.3 Eigentwert{Zerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 13.4 Polare Zerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Anhang 84 3 A Aufstellung einiger Linux{/Unix{Befehle 85 Literatur 85 4 Kapitel 1 Einleitung Die Methode der (cid:12)niten Elemente\ (FEM) ist in der zweiten H(cid:127)alfte des 20. " Jhdt.entwickeltwordenundhatseitdemparallelmitdenInnovationsschu(cid:127)ben imHardware{BereichderComputer{TechnologieeinerasanteWeiterentwick- lung erfahren. Die M(cid:127)oglichkeiten einer allgemeinen Betrachtungsweise verschiedenster me- chanischer Problemstellungen auf der Grundlage moderner mathematischer Werkzeuge (Matrixoperationen, Variationsformulierung, ...) haben die FEM nebenanderennumerischenVerfahren(Differenzen{Schemata,Randelement{ Methode/BEM, ...) zu dem bedeutensten computergestu(cid:127)tzten Berechnungs- verfahren gemacht. Der aktuelle Stand der Hard{ und Software{Technologie erm(cid:127)oglicht heute jedem Entwicklungsingenieur und Wissenschaftler an ei- nem Einzelarbeitsplatz auch schon gr(cid:127)o(cid:25)ere (Anfangs{) Randwertprobleme zu l(cid:127)osen, wo vor mehreren Jahren noch Gro(cid:25)rechenanlagen vonn(cid:127)oten waren. Die Anbindung und Anpassung eines jeden mechanisch{mathematischen Si- mulationsmodells (cid:12)ndet mit der Auswahl eines geeigneten Materialmodells u(cid:127)ber die Materialparameter statt. Die Materialmodellierung stellt somit das Bindeglied zwischen Modell und praktischer Anwendung dar. Dabei mu(cid:127)ssen die Materialparameter in ein- deutiger Weise durch Experimente und entsprechende Modellrechnungen be- stimmbar sein. Eine zunehmende Verfeinerung und Pr(cid:127)azisierung der Materialmodellierung setzt ein tieferes Verst(cid:127)andnis der Materialtheorie und der algorithmischen Umsetzung dieser Modelle voraus, um m(cid:127)oglichst alle wesentlichen Effekte des Materialverhaltens beru(cid:127)cksichtigen zu k(cid:127)onnen. Das Anliegen dieser Vor- lesung zielt genau in diese Richtung, wobei hier ein besonderes Augenmerk auf einer korrekten und effizienten numerischen Umsetzung der angesproche- nen Materialmodelle liegt. 5 Kapitel 2 Struktur der Lehrveranstaltung 2.1 Planung, Informationen & Bewertung IndiesemSemester(cid:12)ndendieLehrveranstaltungenab15.Oktober2014mitt- wochsvon13:00Uhrbisca.15:30UhrinRaumL101/81astatt.W(cid:127)ahrendder Veranstaltungen werden 2{3 U(cid:127)bungsaufgaben ausgegeben, die anschlie(cid:25)end zu bearbeiten sind. Unterhttp://www.baaserweb.de/TUDarmstadt/WiSe1415werdenzus(cid:127)atz- liche Informationen zur Verfu(cid:127)gung gestellt. Eine entsprechend ausfu(cid:127)hrliche Dokumentation der Ausarbeitung wird biszumBeginndeskommendenWintersemestersbewertetundergibt{wenn gewu(cid:127)nscht { die Note fu(cid:127)r den Kurs. 6 Kapitel 3 Abaqus Verwendung von 3.1 Login und Verzeichnisse Abaqus 3.2 Struktur von 3.2.1 Kurz{Tutorium am Beispiel eines O{Rings Seit Anfang des Jahrtausends, in etwa zeitgleich mit den Versionen > 6:x wird fu(cid:127)r Abaqus auch die gra(cid:12)sche Ober(cid:13)(cid:127)ache Abaqus/CAE angeboten, die sowohl als Pr(cid:127)aprozessor als auch zum Postprocessing eingesetzt wer- den kann. Dabei bedeutet CAE hier Complete Abaqus Environment und integriert damit auch den einzeln verfu(cid:127)gbaren Abaqus/Viewer in einer einheitlichen Umgebung. Ebenfalls kann damit der Ablauf einzelner FEM{ Rechnungen gesteuert und beobachtet werden, wenn diese auf dem gleichen Rechner ausgefu(cid:127)hrt werden. Wir betrachten hier die Anwendung der FE{ Methode aus klassischer Sicht und damit auch Vorbereitung Preprocessing, L(cid:127)osung Solver und Nachbereitung Postprocessing einer FE{Analyse als ge- trennteAufgaben,die{jedefu(cid:127)rsich{besondereHerausforderungenaufweist. Hier konzentrieren wir uns zun(cid:127)achst auf den Umgang mit Abaqus/CAE und weisen auf einige Merkmale hin. Dies kann in keiner Weise eine Schulung mit diesem Programmsytem oder zumindest ein intensives Durcharbeiten eines Beispiels aus dem Users Manual ersetzen ! Unterhttp://www.baaserweb.de/TUDarmstadt/SoSe12stehtdiesesBei- spiel seit SoSe 2012 fu(cid:127)r Abaqus 6.10.1 zur Verfu(cid:127)gung: In den beiden kompri- mierten Dateien sind einmal *.cae zur Modell-Erzeugung und einmal *.odb als Ergebnisdatei hinterlegt. Diese sollen in dieser Veranstaltung zun(cid:127)achst als U(cid:127)bungsbeispiele dienen, siehe auch Abschn. 12.4.1. Nach dem Start von Abaqus/CAE, siehe Abb. 3.1, emp(cid:12)ehlt es sich, di- 7 Abbildung 3.1: Abaqus Cae{Er(cid:127)offnung und anschlie(cid:25)ende Festlegung eines Arbeitsverzeichnis rekt das aktuelle Arbeitsverzeichnis innerhalb des Dateisystems festzulegen, um dort alle Ein{ und Ausgabedaten leicht (wieder) zu (cid:12)nden. Das Erstellen eines FEM{ Modells beginnt in dem Mo- dul Part oder aber vorgeschal- tet im Sketch{Modus. Beides- malkannentwedereineCAD{ Gra(cid:12)kimportiertwerdenoder aber es k(cid:127)onnen mit einfach- sten CAD{Hilfmitteln eige- ne Modell konstruiert werden. Man stellt also zun(cid:127)achst das Modul ein, siehe Abb. 3.2, und kann nun eine Konstruk- tion beginnen, einlesen oder erweitern. Abbildung 3.2: Arbeitsmodul ausw(cid:127)ahlen Im linken Fensterteil der CAE{Anwendungerkenntman das Grundgeru(cid:127)st des Deklara- tionsbaums, durch den man sich von oben nach unten durchhangeln muss, siehe Abb. 3.3. Ein (cid:127)ahnliches Vorgehen ist schon seit mehreren Jahren z.B. von der Benutzerober(cid:13)(cid:127)ache von Ansys (heute in der sog. Workbench) be- kannt. Wir beginnen fu(cid:127)r dieses einfache Beispiel nun mit der De(cid:12)ntion der Grundstrukturen unserer Modellierung indem wir die Einzelteile zeichnen. EinO{Ringwirdinder2D{axialsymmetrischenModellierungimQuerschnitt als Kreis dargestellt. Dazu legen wir ein Part an, siehe Abb. 3.4, und zeich- nen einen Kreis, bestenfalls schon an der richtigen Position im zun(cid:127)achst frei 8 Abbildung 3.3: Deklarationsbaum\ " zu w(cid:127)ahlenden Koordinatensystem, siehe Abb. 3.5. Sp(cid:127)ater muss die Rota- tionsachse des Modells bei x = r = 0 liegen. Einzelteile lassen sich auch nachtr(cid:127)aglich noch positionieren. Abbildung 3.4: Einzelteile de(cid:12)nieren: hier O{Ring 9
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