Failure modeling of interfaces and sheet metals

Bayat, Hamid Reza; Wulfinghoff, Stephan; Noels, Ludovic; Reese, Stefanie

doi:10.18154/RWTH-2020-04847

Failure modeling of interfaces and sheet metals = Versagensmodellierung von Schnittstellen und Metallblechen

Bayat, Hamid Reza^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hamid Reza Bayat, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (10, III, 169 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-04-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-04847
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/788898/files/788898.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
boron steel (frei) ; cohesive zone (frei) ; crack propagation (frei) ; discontinuous Galerkin (frei) ; forming limit curve (frei) ; hanging nodes (frei) ; inhomogeneity (frei) ; locking (frei) ; robustness evaluation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Materialmodellierung zählt zu den untrennbaren Bestandteilen der heutigen technischen Welt. Um kostspielige Experimente nach der Produktion zu vermeiden, ist es von hoher Bedeutung, vorauszusehen, wie sich das Material verhalten wird und wo die Grenzen seiner Funktionalität liegen. Unter den verschiedenen Mitteln sind die numerischen Methoden für ihre breite Anwendbarkeit bekannt, insbesondere wenn die Materialien entweder geometrisch oder materiell nichtlinear werden. Dank des Fortschritts der Computer in den letzten Jahrzehnten haben sich verschiedene numerische Ansätze entwickelt, verbessert und für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Unter anderem haben sich die Finite-Elemente-Methoden als zuverlässige Verfahren zur Modellierung von Materialien und deren Versagen erwiesen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, zwei Versagensmechanismen und dementsprechend zwei unterschiedliche Strategien zu deren Vorhersage und Modellierung darzustellen. Das erste Versagensphänomen ist die Delamination zwischen Laminaten für spröde Materialien. Die Masse besteht aus linear elastischem Material, während die Grenzfläche z.B. ein Klebstoff dazwischen oder ein Schweißpunkt ist. Eine unkonventionelle Methode, die diskontinuierliche Galerkin-Methode (DG), wird für erstere verwendet, während letztere mit dem Modell der kohäsiven Zone (CZ) modelliert wird. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der numerischen Methode zur Überwindung des so genannten notorischen Locking-Phänomens. Darüber hinaus ist die übermäßige Einschnürung bei der Blechumformung das andere Versagen in dieser Arbeit und wird für nahezu perfekt plastische Materialien unter Anwendung des Marciniak-Kuczynski-Modells behandelt. Beginnend mit der Einführung und dem Stand der Technik stellt die Dissertation Fragen zur Anwendung dieser beiden Methoden. Als nächstes wird im ersten Kapitel die incomplete interior penalty Galerkin (IIPG)-Variante der diskontinuierlichen Galerkin-Methoden vorgestellt. Zur Behebung der Locking werden verschiedene Integrationsschemen vorgestellt und diskutiert. Ein Locking-freies Element wird betrachtet, um die Ergebnisse zu vergleichen und gegenüberzustellen. Die Kombination dieses Elements mit der DG-Methode führt zu noch schneller konvergierenden Ergebnissen. Verschiedene Benchmark-Probleme belegen diese Beobachtung in diesem Kapitel. Im zweiten Kapitel wird ein detaillierter Vergleich der verschiedenen DG- und nicht-konformen Methoden vorgenommen. Verschiedene Varianten von DG-Methoden, nämlich die symmetrische, nicht-symmetrische sowie unvollständige mit linearen und Polynomen höherer Ordnung werden mit einer hybriden DG-Methode niedriger Ordnung sowie einer hybridisierbaren schwach konformen Galerkin-Methode verglichen. Das Kapitel zielt auf die Leistungsfähigkeit dieser Methoden in Bezug auf Rechenzeit und Effizienz ab. Zu diesem Zweck sind verschiedene Materialien, die von linear-elastisch bis hyper-elastisch reichen, zusammen mit Plastizität einbezogen. Schließlich wird das Interface-Versagen mit Hilfe eines neuartigen Modells der extrinsischen kohäsiven Zone modelliert, das in den Rahmen der DG eingebettet ist. Der Sprödbruch wird in fünf verschiedenen Benchmark-Problemen erfasst und mit einem intrinsischen CZ-Standardmodell verglichen. Aufgrund der nicht-konformen Eigenschaft der DG-Methoden werden nicht übereinstimmende Netze in die Struktur integriert und somit auch hängende Knoten mit einbezogen. In diesem Kapitel werden die gleichen Integrationsschemen wie im ersten und zweiten Kapitel verwendet, um den Einfluss der Locking-Effekte sowohl in Prä- als auch in Post-Failure-Regimen zu verringern. Infolgedessen werden eine realistische Rissinitialisierung sowie die Rissausbreitung aufgrund des Fehlens einer künstlichen Versteifung der Masse modelliert. Darüber hinaus wird viel weniger Rechenzeit benötigt, da die Konvergenz mit einer geringeren Anzahl von Elementen erreicht wird. Im letzten Kapitel dieser Dissertation wird das Versagen bei Blechumformprozessen anhand eines modifizierten Marciniak-Kuczynski-Modells modelliert. Ultrahochfeste Stähle (UHSS) sind für ihre hohe Fließgrenze und Zugfestigkeit bekannt. Andererseits können sie eine erhebliche plastische Verformung erfahren, was bei Crashelementen des Fahrzeugchassis von Vorteil ist. Die Streuung in ihren Materialeigenschaften ist jedoch nachteilig, wenn es um die Versagensvorhersage geht. Um die sicheren, einschnürenden und versagenden Regime in der Materialstreuung zu erfassen, werden in diesem Kapitel Grenzformänderungsbänder eingeführt. Die Materialparameter werden aus Experimenten extrahiert und später mit einem statistischen Ansatz quantifiziert.

Material modeling counts as an inseparable part of today’s engineering world. In order to avoid costly experiments after production, it is of high significance to anticipate how the material will behave and where the borders of its functionality lie. Among different tools, numerical methods are well-known for their vast applicability especially when the materials become either geometrically or materially nonlinear. Thanks to the advancement of the computers in the last decades, various numerical approaches have evolved, improved and applied for different applications. Amongst them, finite element methods have emerged as reliable techniques to model materials and their failure. The aim of this dissertation is to present two failure mechanisms and accordingly two different strategies to foresee and model them. The first failure phenomenon is the delamination between laminae for brittle materials. The bulk consists of linear elastic material while the interface is e.g., an adhesive in between or a welding spot. A non-conventional method, discontinuous Galerkin (DG) method is utilized for the former whereas the latter is modeled applying cohesive zone (CZ) model. Special emphasis is put on the improvement of the numerical method to overcome the so-called notorious locking phenomenon. In addition, excessive necking in sheet metal forming is the other failure in this work and treated for nearly perfectly plastic materials applying Marciniak-Kuczynski model. Starting with the introduction and state of the art, the thesis poses questions regarding the application of these two methods. Next, the first chapter introduces the incomplete interior penalty Galerkin (IIPG) variant of the discontinuous Galerkin methods. To cure locking, different integration schemes are introduced and discussed. A locking-free element is considered to compare and contrast the results. The combination of this element with the DG method results in even faster-converging results. Different benchmark problems prove this observation in this chapter. A detailed comparison of different DG and non-conforming methods is established in the second chapter. Different variants of DG methods, namely the symmetric, non-symmetric as well as incomplete with linear and higher-order polynomials are compared to a low-order hybrid DG method as well as a hybridizable weakly conforming Galerkin method. The chapter aims at the performance of these methods in terms of computational time and efficiency. To this end, different materials varying from linear elastic to hyper-elastic material along with plasticity are involved. Eventually, the interfacial failure is modeled applying a novel extrinsic cohesive zone model embedded in the framework of DG. Brittle fracture is captured in five different benchmark problems and compared to a standard intrinsic CZ model. Due to the non-conforming virtue of DG methods, non-matching meshes are integrated into the structure and thus hanging nodes are included as well. The same integration schemes as those of the first and second chapters are utilized in this chapter to diminish the influence of locking in both pre- and post-failure regimes. Consequently, a realistic crack initialization, as well as propagation, are modeled due to the absence of artificial stiffening of the bulk. Furthermore, much less computation time is required since the convergence is reached with less number of elements. In the last chapter of this dissertation, failure in sheet metal forming processes is modeled applying a modified Marciniak-Kuczynski model. Ultra-high-strength steels (UHSS) are well-known for their high yield and ultimate tensile strengths. On the other hand, they can undergo a significant plastic deformation which is beneficial in crash elements of the car chassis. However, the scatter in their material properties is disadvantageous when it comes to the prediction of failure. In order to capture the safe, necking and failed regimes in the material scatter, forming limit bands are introduced in this chapter. The material parameters are extracted from experiments and later quantified with a statistical approach.

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