Parameter neuartiger Materialien selbst bestimmen

Neue Materialen ermöglichen innovative technische Lösungen mit besserer Lebensdauer, Schwingungsverhalten und Akustik, stellen die Produktentwicklung  jedoch vor Herausforderungen: Wie ermittelt man präzise die Materialparameter für die Simulationen dieser Eigenschaften in der frühen Auslegungsphase?

Digital Image Correlation (DIC) ermittelt mit Videokameras Oberflächendehnung und Bauteilverformungen. Damit lassen sich Spannungsanalysen mit Dehnungsmessstreifen und teilweise auch dynamische Strukturanalysen mit Beschleunigungsaufnehmern ersetzen, als weitere Anwendung aber auch die Materialparameter bestimmen.

Die berührungslose Messung ohne Applikationsaufwand von Sensoren ist ein großes Plus von DIC, egal ob für Proben auf einem Prüfstand oder Messungen direkt am Bauteil. Dabei spielt die Größe keine Rolle. Das zu untersuchende Objekt kann so groß wie das Rotorblatt einer Windkraftanalage sein, oder winzig, aufgenommen mit einem Objektiv starker Vergrößerung. Versehen wird das Objekt zuvor mit einem zufälligen Punktmuster, welches von der Digitalen Bilderfassung ausgewertet wird.

Materialparameter zu bestimmen ist eine wichtige Aufgabe für die Produktentwicklung. Festigkeit und Struktur-Schwingungsverhalten werden lange vor Verfügbarkeit eines Prototyps simuliert, wobei die Aussagekraft von korrekten Eingangsdaten der Simulation abhängt. Woher aber stammen die für die Simulation so wichtigen Materialparameter wie biaxialer E-Modul, Poissonzahl und Schubmodul bei Verwendung neuer oder sogar anwendungsspezifisch entwickelter Materialien? Genau diese Daten liefert die Siemens Simcenter DIC Lösung anhand der Messung einer Materialprobe.

Die verwendete Virtuelles Feld Methode (VFM) rekonstruiert dazu das gesamte Dehnungsfeld unter der Berücksichtigung von Zeit, Material und anderen Abhängigkeiten. Damit werden Parameter für die FE-Analyse ausgehend von Startwerten optimiert, passend für eine Vielzahl von Materialmodellen, bis eine gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Feld erreicht ist. Die Probe muß dafür kein Standardformat haben, denn die Stereokamera Lösung ermittelt Daten für ein 3D Feld beliebiger Probenformen.

VFM ist nicht nur für neue Materialen prädestiniert, deren Parameter mit klassischen Prüfmethoden nur schwer zu bestimmen sind. VFM hat auch bei üblichen Materialen und Probenkörpern einen entscheidenden Vorteil, nämlich die Bestimmung aller Parameter aus einem einzelnen Test, wo klassisch mehrere Tests und Proben benötigt werden.