Forschung

modelling activities for magnesium-based products

(English only) Magnesium alloys are promising candidate materials for products in the transportation industry. Due to their low weight and high strength they can contribute to reduce the mass of vehicles and therefore limit their CO_2 emission .
The application of magnesium alloys demands for reliable simulation tools for predicting the forming capabilities, the structural responses to mechanical loads, and the lifetime of the components. The predictive models have to match the distinctive mechanical characteristics attributed to the low-symmetric hexagonal close-packed metal, which demands for up-to-date material laws. The selection of an appropriate yield function capturing inelastic (permanent) deformation under multi-axial stress states challenges many researchers. The prediction of damage events and material failure is a research topic on its own.
Furthermore, Mg alloys are also emerging as viable biodegradable materials for e.g. bone screws and stents. Since the desired degradation and resorption of the implant material reduces the mechanical strength of the implant, its load carrying capacity at all times has to be computed. Monitoring the decline of the load carrying capacity of an implant, as the degradation progresses, is of significant relevance.

A multi-scale modeling approach of fully lamellar TiAl alloys at Hereon

(English only) The civil aviation industry commits to combat climate change by innovating environment-friendly, high fuel-efficient aircraft engines. The quest for novel structural lightweight materials for engine components is at the forefront of research. Gamma-based titanium aluminide (TiAl) alloys are intermetallic compounds, which possess an excellent combination of properties (e.g., low density, high specific strength, and specific moduli); thus, it started replacing the conventional materials in rotating components operating at high-temperature (e.g., Low-Pressure Turbine blades). Continuous efforts are being made to improve the service temperature of TiAl alloys; by optimizing the target microstructure with desired mechanical properties. Four interesting microstructures exist in TiAl alloys, namely duplex, nearly gamma, nearly lamellar, and fully lamellar. Among them, fully lamellar microstructure particularly excels for high-temperature applications. This microstructure consists of two intermetallic phases (γ -TiAl, α2 - Ti3Al), is built up from the atom to the component in several hierarchy levels, from single lamella (nm size) over single colony (µm size) to poly-colony structure (mm size). Various material interfaces make the microstructure extremely interesting and equally challenging: interfaces between lamellae, between domains, and between colonies, see Figure.
The Institute of Material Systems Modeling at Hereon takes on these challenges strategically with its pool of modeling and simulation expertise across the internal departments. Complexity in fully lamellar TiAl alloys stems from the multi-scale nature of hierarchical interfaces contributing to the thermo-mechanical deformation behavior (e.g., fracture, creep). Thus, our multi-scale modeling includes computational methods ranging from continuum (crystal plasticity, cohesive zone models, finite element methods) to atomistic (molecular dynamics); to understand the microstructure-property relationship in TiAl alloys systematically. The desired outcome is a robust, physically sound, microstructure-informed constitutive model capturing the reliable material behavior of TiAl alloys at the component scale; simulated under thermo-mechanical service conditions. To this end, our multi-scale modeling research synergizes the experimental efforts of our partner institutes at Hereon to foster the alloy developments; thus, solving the grand challenge of the aviation industry.

Die Abteilung für Maschinelles Lernen und Daten entwickelt neue Ansätze, die Training und Topologieoptimierung künstlicher neuronaler Netzwerke intrinsisch verknüpfen. Dies reduziert das Expertenwissen, das nötig ist, um neuronale Netzwerke in der Praxis einzusetzen und vergrößert dadurch ihre Nutzbarkeit auch durch diejenigen, die nur über beschränkte Expertise im Bereich Data Science verfügen. Unsere Grundlagenforschung im Bereich des maschinellen Lernens wird ergänzt durch eine Reihe von Anwendungsprojekten mit internen wie auch externen Partnerinstituten. Mit dem Hereon-Institut für Oberflächenforschung arbeiten wir beispielsweise an einer Verknüpfung experimenteller Daten, atomistischer Simulationen und maschinellen Lernens mit dem Ziel, chemische Verbindungen für den effizienten Korrosionsschutz bei Magnesiumlegierungen zu identifizieren.

Gemeinsam mit Partnern von der TU München (Prof. W. A. Wall), der Universität der Bundeswehr München (Prof. A. Popp) und der Universität Uppsala (Prof. M. Kronbichler) entwickeln wir Forschungssoftware für Multiphysik-Simulationen komplexer Systeme auf Basis von C++-Bibliotheken für High Performance Computing (HPC) wie Trilinos und deal.ii. Wir nutzen diese Software für die Entwicklung digitaler Zwillinge für verschiedenste Anwendungen etwa aus der Luftfahrt, der Energietechnik, der Medizintechnik und der Materialforschung.

UMATS sind Programme, die ein vom Benutzer definiertes Materialmodell enthalten und in einem ABAQUS-Rechenlauf verwendet werden.

UELs sind Routinen, mit denen neue Elementtypen in ABAQUS implementiert werden.

Für verschiedene Modelle sind in unserem Hause solche UMATS entwickelt worden. Diejenigen, die sich nicht mehr im Teststadium befinden, sondern deren numerische Stabilität und Anwendbarkeit auf Strukturen verifiziert wurde können bei uns erworben werden. Für Universitäten und Forschungseinrichtungen beträgt der Preis einer einzelnen UMAT bzw. UEL 1000 Euro. Bei Interessenten aus der Wirtschaft sind die Preise verhandelbar.

Das Kohäsivmodell wurde durch ein User-Element (UEL) in ABAQUS realisiert. Es beschreibt Schädigung und Rissfortschritt auf der Basis von Grenzflächenelementen, die durch Separation versagen.

Im Einzelnen handelt es sich dabei um folgende Programme mit Dokumentationen:

- GTN-Modell: ratenabhängige Formulierung des Modells von Gurson, Tvergaard und Needleman für duktile Metalle (isotrope Verfestigung). Ratschläge zur Benutzung des Modells gibt es hier als pdf-Dokument zum kostenlosen Download
- GTN-Modell: ratenunabhängige Formulierung des Modells von Gurson, Tvergaard und Needleman für duktile Metalle (kinematische Verfestigung)
- Rousselier-Modell: phänomenologisches Schädigungsmodell für duktile Metalle
- Kohäsivzonenmodell als User-Element