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Multiphysics modeling of manufacturing and failure processes

van der Velden, Tim^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tim Peter van der Velden, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Reese, Stefanie (Thesis advisor)^RWTH* ; Wulfinghoff, Stephan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-11476
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/998601/files/998601.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Entwicklung moderner technischer Bauteile erfordert ein ressourcenschonendes Design in der Herstellung bei gleichzeitig optimaler Leistungsfähigkeit in der Anwendung. Die Erfüllung dieser komplexen Ansprüche bedingt einen ganzheitlichen Betrachtungsansatz, der sowohl den Herstellungsprozess als auch die komplette Lebensdauer bis zu einem möglichen Versagen des Bauteils einschließt. Die Überführung des Objekts in ein virtuelles Abbild ermöglicht dessen numerische Simulation und digitale Analyse auf beliebigen Zeit- und Längenskalen, die experimentell nur schwer zugängliche Prozesseinblicke gewähren können. Diese kumulative Dissertation soll einen wertvollen Beitrag zur systemischen Produktentwicklung liefern und befasst sich daher mit der digitalen Modellierung von multiphysikalischen Produktions- und Schädigungsprozessen basierend auf der Finite-Elemente-Methode. Die Arbeiten umfassen die Entwicklung eines Materialmodells zur effizienten Beschreibung der Metallauflösung und sich verschiebender Randwertprobleme bei der elektrochemischen Bearbeitung, sowie für die Produktanwendung die Modellierung und Regularisierung von anisotroper Schädigung bei großen Deformationen. Die ersten drei Arbeiten befassen sich mit der effizienten Modellierung des Produktionsprozesses der elektrochemischen Bearbeitung. In der ersten Arbeit wird ein neuartiger Beschreibungsansatz für die Metallauflösung basierend auf effektiven Materialparametern entwickelt, der das grundlegende Problem der rechenintensiven Neuvernetzung bei der Simulation von Auflösungsprozessen auf der Werkstückseite behebt. Die zweite Arbeit stellt die Übertragung des Ansatzes der effektiven Materialbeschreibung auf die Werkzeugseite vor und ermöglicht dadurch die komplette Prozesssimulation des verschieblichen Randwertproblems der elektrochemischen Bearbeitung ohne Netzadaption. Die dritte Arbeit erweitert die isotropen Ansätze zur Bestimmung der effektiven Materialparameter um eine anisotrope Formulierung, die auf der Orientierung der elektrischen Stromdichte beruht. Die weiteren vier Arbeiten behandeln die gradientenerweiterte Modellierung anisotroper Schädigung. Die vierte und fünfte Arbeit nutzen zwei verschiedene Energieformulierungen, die eine physikalisch sinnvolle Steifigkeitsreduktion nach dem Schädigungswachstumskriterium erfüllen, um eine effiziente und allgemeingültige Gradientenerweiterung für inelastische Prozesse mit tensorwertigen internen Variablen zu entwickeln. Dabei beweist die entwickelte volumetrisch-deviatorische Gradientenerweiterung des Schädigungstensors unter Nutzung von zwei mikromorphen Freiheitsgraden eine effektive Regularisierungsfähigkeit, um netzunabhängige Ergebnisse zu erhalten. Zusätzliche Struktursimulationen belegen in der sechsten und siebten Arbeit die Leistungsfähigkeit der entwickelten Regularisierungsmethodiken.

The development of modern technical devices demands a resource saving design for the manufacturing process in conjunction with optimal device performance during the application. The realization of these complex requirements necessitates an integrated evaluation approach that considers the manufacturing process plus the entire lifespan up to the potential failure of the device. The object's transfer into its digital twin allows for its numerical simulation and digital analysis at arbitrary time and length scales, which offer precious and experimentally hard to access process insights. This cumulative dissertation may provide a valuable contribution to the systemic product development process and, thus, addresses the digital modeling of multiphysical manufacturing and failure processes based on the finite element method. The works comprise the model development of an efficient modeling approach for material dissolution and moving boundary value problems in electrochemical machining and, for the product application, the modeling and regularization of anisotropic damage at finite strains. The first three articles deal with the efficient modeling of the manufacturing process of electrochemical machining. In the first article, a novel methodology for modeling material dissolution based on effective material parameters is developed that resolves the fundamental issue of computationally expensive remeshing during the simulation of dissolution processes of the workpiece. The second article features the application of effective material parameter modeling for the simulation of the tool and, thereby, enables the entire process simulation of the moving boundary value problem without mesh adaptation. The third article extends the isotropic rules of mixture for the identification of the effective material by an anisotropic formulation, which is based on the orientation of the electric current density. The subsequent four articles cover the gradient-extended modeling of anisotropic damage. In the fourth and fifth article, two energy formulations, which fulfill a physical stiffness reduction according to the damage growth criterion, are employed to develop an efficient and universal gradient-extension for inelastic processes with tensor-valued internal variables. A novel volumetric-deviatoric gradient-extension of the damage tensor using two micromorphic degrees of freedom yields an effective regularization capability to obtain mesh independent results. Further structural simulations in the sixth and seventh article confirm the performance of the developed regularization methodologies.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030913605

Interne Identnummern
RWTH-2024-11476
Datensatz-ID: 998601

Beteiligte Länder
Germany