DE102016108991A1 - Method and device for characterizing a component - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Charakterisierung eines Spannungs-Dehnungsverhaltens eines Bauteiles, das einen inhomogenen Werkstoff aufweist und das in einem Anfangszustand durch ein Ausgangsmodell beschreibbar ist, offenbart. Das Verfahren umfasst: (a) Messen einer Dehnungsverteilung für einen Messbereich des Bauteils nach Aufbringen einer Kraft auf das Bauteil; (b) Berechnen einer Dehnungsverteilung für den Werkstoff unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells basierend auf der ausgeübten Kraft und dem Ausgangsmodell; (c) Vergleichen der berechneten Dehnungsverteilung mit der gemessenen Dehnungsverteilung; (d) Korrigieren des Ausgangsmodells basierend auf dem Vergleich (c); und (e) iteratives Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d) bis eine Abweichung zwischen der gemessenen Dehnungsverteilung und der berechneten Dehnungsverteilung unterhalb eines Schwellenwertes liegt.It is a method for characterizing a stress-strain behavior of a component having an inhomogeneous material and which is writable in an initial state by an initial model. The method comprises: (a) measuring a strain distribution for a measurement area of the component after applying a force to the component; (b) calculating a strain distribution for the material using a finite element model based on the applied force and the output model; (c) comparing the calculated strain distribution with the measured strain distribution; (d) correcting the initial model based on the comparison (c); and (e) iteratively repeating steps (b), (c) and (d) until a deviation between the measured strain distribution and the calculated strain distribution is below a threshold.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Bauteils und insbesondere auf ein Verfahren zur Bestimmung lokaler Spannungsdehnungskurven, die durch Werkstoffparameter definiert werden, auf Basis gemessener Dehnungen.The present invention relates to a method and apparatus for characterizing a component, and more particularly to a method for determining local stress-strain curves defined by material parameters based on measured strains.

Hintergrundbackground

Es besteht ein zunehmendes Interesse inhomogene Materialien oder Bauteile zu charakterisieren – insbesondere, wenn sie elastisch-plastischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Solche Bauteile umfassen beispielsweise Schweißnähte und kaltverformte Bauteile. Dadurch können beispielsweise Beanspruchungen aus hohen Temperaturen simuliert werden, wie sie beispielsweise bei Aggregaten in der Automobilindustrie oder bei geschweißten Rohren oder Rohrleitungen im Kraftwerksbau oder bei Druckbehältern im Chemieapparat-Bau vorkommen.There is an increasing interest in characterizing inhomogeneous materials or components - especially when exposed to elastic-plastic stresses. Such components include, for example, welds and cold-formed components. As a result, for example, stresses from high temperatures can be simulated, as they occur, for example, in aggregates in the automotive industry or in welded pipes or pipelines in power plant construction or pressure vessels in the chemical apparatus construction.

Versuche an Proben aus stumpfgeschweißten Rohren haben gezeigt, dass unter hohen zyklischen elastisch-plastischen Beanspruchungen (z. B. bei Dehnungsamplituden von über 1,5%) ein Versagen des Bauteils im Grundwerkstoff und nicht an der Nahtkerbe eintritt, wie es bei Ermüdungsbeanspruchungen häufig zu beobachten ist. Durch systematische Untersuchungen möglicher Einflussgrößen ist herausgefunden worden, dass lokal unterschiedliche (zyklische) Werkstofffestigkeiten die maßgebende Ursache für dieses Verhalten sind. Um das Werkstoffverhalten im Modell, welches die Grundlage für den Lebensdauernachweis darstellt, richtig abbilden zu können, sind jedoch die real vorhandenen lokalen Werkstofffestigkeiten (d. h. Werkstofffestigkeiten, die vom Ort im Bauteil abhängen) zu berücksichtigen.Experiments on butt-welded tube samples have shown that under high cyclic elastic-plastic stresses (eg at strain amplitudes greater than 1.5%) failure of the component occurs in the base material and not at the seam notch, as is often the case with fatigue stresses is watching. Through systematic investigations of possible influencing factors, it has been found that locally different (cyclic) material strengths are the decisive cause for this behavior. However, in order to be able to correctly model the material behavior in the model, which forms the basis for the life test, the actual existing local material strengths (that is, material strengths, which depend on the location in the component) must be taken into account.

Unter Nutzung eines solchen Modells können Bauteile ausgehend von einem gegebenen Anfangszustand unter Berücksichtigung von Randbedingungen prinzipiell berechnet werden. Solche Berechnungen nutzen Werkstoffgesetze/nichtlineare Materialmodelle, die jedoch Werkstoffparameter enthalten, die meistens nur unzureichend bekannt sind und die zu optimieren sind.Using such a model, components can be calculated in principle starting from a given initial state taking into account boundary conditions. Such calculations use material laws / non-linear material models, which however contain material parameters that are mostly insufficiently known and which have to be optimized.

Die reale Dehnungsverteilung, die beispielsweise mittels Grauwertkorrelation ermittelt werden kann, ist eine werkstoffmechanisch genaue Grundlage für die Bestimmung lokaler Werkstofffestigkeiten. Um das lokale Werkstoffverhalten abbilden zu können, werden beispielsweise Parameter der (zyklischen) Spannungsdehnungskurve benötigt, die nicht homogen, sondern ortgebunden im Bauteil vorliegen und so Werkstoffinhomogenitäten (wie beispielsweise Schweißnähte) berücksichtigen.The real strain distribution, which can be determined for example by means of gray scale correlation, is a material-mechanically accurate basis for the determination of local material strengths. In order to be able to map the local material behavior, for example, parameters of the (cyclic) stress-strain curve are required, which are not homogeneous but localized in the component and thus take into account material inhomogeneities (such as welds).

Bei der Bestimmung der zur Dehnung gehörenden lokalen Spannungen treten die folgenden Probleme auf:

  • (a) die Spannungsverteilung ist im Querschnitt wegen werkstoffbedingter Inhomogenitäten nicht direkt bestimmbar;
  • (b) die gemessene Dehnung ist die totale Dehnung und eine Trennung in elastische und plastische Anteile ist auf Basis der Messdaten schwer möglich (die Kenntnis beider Anteile wäre zur Bestimmung der Spannung geeignet); und
  • (c) die Dehnung ist im Bauteilinneren nicht messbar und somit ist auch die Querkontraktion des Bauteiles nur schwer zu bestimmen (die Querkontraktionszahl wäre ansonsten zur Bestimmung der Spannung geeignet).
The following problems arise in determining the strain associated with strain:
  • (a) the stress distribution is not directly determinable in cross-section due to material-related inhomogeneities;
  • (b) the measured elongation is the total elongation and a separation into elastic and plastic parts is difficult on the basis of the measured data (the knowledge of both parts would be suitable for the determination of the tension); and
  • (c) the strain is not measurable in the interior of the component and thus the transverse contraction of the component is difficult to determine (the transverse contraction number would otherwise be suitable for determining the voltage).

Für viele Anwendungen ist es außerdem wünschenswert eine direkte Ermittlung von Spannungen und damit auch von Werkstoffparametern zu ermöglichen, ohne dabei Fehler berücksichtigen zu müssen, die durch Näherungen auftreten. Dadurch ließen sich hohe Sicherheitsfaktoren bei der Bemessung in Verbindung mit entsprechend hohem Materialeinsatz (dickere Bauteile) vermeiden. Außerdem erspart eine verbesserte Simulation umfangreiche Versuchsreihen in vielen verschiedenen Konstellationen. Es wäre auch wünschenswert, wenn der entsprechende Versuch an der Probe anstatt an dem gesamten Bauteil durchgeführt werden könnte. Dies wäre insbesondere für Serienbauteile sinnvoll, die alle gleiche Inhomogenitäten aufweisen.For many applications, it is also desirable to allow a direct determination of stresses and thus also of material parameters, without having to take into account errors that occur by approximations. As a result, high safety factors in the design in connection with correspondingly high material usage (thicker components) could be avoided. In addition, an improved simulation saves extensive test series in many different constellations. It would also be desirable if the corresponding trial could be performed on the sample rather than on the entire component. This would be useful in particular for series components, which all have the same inhomogeneities.

Die zuvor genannten Probleme werden bisher nur unzureichend durch bekannte Verfahren gelöst.The aforementioned problems are so far only insufficiently solved by known methods.

Bei einer konventionellen Vorgehensweise wird die Härte (oder Last-Eindring-Kurven) an vielen Punkten über einen gesamten inhomogenen Bereich mittels Eindringprüfer ermittelt. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass eine Korrelation zwischen Härte und Werkstoffparametern in der (zyklischen) Spannungsdehnungskurve (ZSD-Kurve) über bestimmte Annahmen bzw. Näherungen erfolgt. Ein weiterer Nachteil der Härtemessung sind mögliche Verfälschungen von Härtewerten durch Eigenspannungen im Bauteil. Die Eigenspannungen entstehen insbesondere an Schweißnähten und zeigen teilweise eine höhere Härte in Bezug auf Zugspannungen auf, als der zugrundeliegende Werkstoff ohne sie hätte. Zur Umrechnung in Festigkeiten werden jedoch die Härten des zugrundeliegenden Werkstoffes gebraucht. Härtemessungen sind außerdem nachteilig, da Härtewerte in der Regel an unbelasteten Proben bestimmt werden, der Werkstoff sich jedoch nach wiederholten Belastungen über die Lebensdauer verändert (transientes Verhalten). Erneute Härtemessungen sind daher nach weiteren 10, 20, 30, usw. Zyklen an Versuchsproben auszuführen, die – wenn überhaupt – nur erschwert durchführbar sind. Die genannten Nachteile betreffen ebenfalls die Korrelation zwischen der Last-Eindring-Kurve und den Werkstoffparametern der ZSD-Kurve.In a conventional approach, the hardness (or load-penetration curves) at many points over an entire inhomogeneous area is determined by means of a penetrator. A disadvantage of this approach is that there is a correlation between hardness and material parameters in the (cyclic) stress-strain curve (ZSD curve) via certain assumptions or approximations. Another disadvantage of the hardness measurement are possible falsifications of hardness values due to residual stresses in the component. The Residual stresses occur particularly on welds and sometimes show a higher hardness in terms of tensile stresses than the underlying material would have without them. For conversion into strengths, however, the hardness of the underlying material is needed. Hardness measurements are also disadvantageous since hardness values are generally determined on unloaded samples, but the material changes over the service life after repeated loads (transient behavior). Renewed hardness measurements are therefore to be carried out after a further 10, 20, 30, etc. cycles of test specimens which are difficult, if at all feasible. The mentioned disadvantages also relate to the correlation between the load-penetration curve and the material parameters of the ZSD curve.

Zur Bestimmung des lokalen Werkstoffverhaltens können auch Messungen lastinduzierter elastischer Dehnungen vorgenommen werden. Solche Messungen sind jedoch sehr aufwendig und werden häufig unter der Annahme durchgeführt, dass der Werkstoff sich über den gesamten Querschnitt konstant verhält, was aber bei beliebigen Inhomogenitäten nicht möglich ist.To determine the local material behavior, load-induced elastic strain measurements can also be made. However, such measurements are very expensive and are often carried out under the assumption that the material behaves constantly over the entire cross section, but this is not possible with any inhomogeneities.

Mikrowerkstoffproben können zwar aus einem inhomogenen Bauteil lokal herausgearbeitet werden, dies ist jedoch aufwendig und wirtschaftlich in den meisten Fällen nicht von Interesse.Although microfabricated material samples can be worked out locally from an inhomogeneous component, this is expensive and economically of no interest in most cases.

In DE 2009 10 052 967 ist ein weiteres Verfahren vorgestellt, in welchem Dehnungen optisch mittels 3D-Bildkorrelation (Grauwertkorrelation) gemessen werden. In diesem bekannten Verfahren wird zur Parameteridentifikation eine nichtlineare Optimierung genutzt, wobei die Zielfunktion die Summe aus den Quadraten der Abstände zwischen den Sollwerten und den Istwerten (aus Messung und Berechnung) verwendet. Bei der dort verwendeten Optimierung handelt es sich um eine Gradientenbasierte Methode im Rahmen eines iterativen Berechnungsverfahrens, das eine Richtung und eine Schrittweite bezüglich der Änderung der Parameter und somit einen Parametersatz für den nächsten Iterationsschritt bereitstellt. Für die Bestimmung einer Vielzahl von Werkstoffen ist die genannte Optimierungsmethode sehr aufwändig bis unbrauchbar. Ein weiterer Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass dieses Verfahren nur für konstante Spannungen im Querschnitt anwendbar ist.In DE 2009 10 052 967 is presented another method in which strains are measured optically by means of 3D image correlation (gray scale correlation). In this known method, a non-linear optimization is used for the parameter identification, wherein the objective function uses the sum of the squares of the distances between the desired values and the actual values (from measurement and calculation). The optimization used there is a gradient-based method in the context of an iterative calculation method, which provides a direction and a step with respect to the change of the parameters and thus a parameter set for the next iteration step. For the determination of a large number of materials, the mentioned optimization method is very complex or useless. Another disadvantage of this approach is that this method is applicable only for constant voltages in cross section.

Daher besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur Bestimmung von lokalen Werkstoffeigenschaften für inhomogene Werkstoffe, um zum Beispiel eine Lebensdauervorhersage zu ermöglichen.Therefore, there is a need for a method for determining local material properties for inhomogeneous materials, for example, to enable life-time prediction.

ZusammenfassungSummary

Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1.The above object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 15. The dependent claims relate to advantageous developments of the method according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Charakterisierung des Spannungs-Dehnungsverhaltens eines Bauteils, das einen homogenen oder inhomogenen Werkstoff aufweist, der in einem Anfangszustand durch ein Ausgangsmodell beschreibbar ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (a) Messen einer Dehnungsverteilung für einen Messbereich des Bauteils nach Aufbringen einer Kraft auf das Bauteil; (b) Berechnen einer Dehnungsverteilung für das Bauteil unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells basierend auf der ausgeübten Kraft und des Ausgangsmodells (z. B. unter Berücksichtigung der Geometrie des Bauteils zu Beginn der Dehnungsmessung); (c) Vergleichen der berechneten Dehnungsverteilung mit der gemessenen Dehnungsverteilung; (d) Korrigieren des Ausgangsmodells basierend auf dem Vergleich (c); und (e) iteratives Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d) bis eine Abweichung zwischen der gemessenen Dehnungsverteilung und der berechneten Dehnungsverteilung unterhalb eines Schwellenwertes liegt.The present invention relates to a method for characterizing the stress-strain behavior of a component comprising a homogeneous or inhomogeneous material that is writable in an initial state by an initial model. The method comprises the following steps: (a) measuring a strain distribution for a measuring range of the component after applying a force to the component; (b) calculating a strain distribution for the component using a finite element model based on the applied force and output model (eg, taking into account the geometry of the component at the beginning of the strain measurement); (c) comparing the calculated strain distribution with the measured strain distribution; (d) correcting the initial model based on the comparison (c); and (e) iteratively repeating steps (b), (c) and (d) until a deviation between the measured strain distribution and the calculated strain distribution is below a threshold.

Der Messbereich kann insbesondere inhomogene Bereiche des Bauteiles umfassen, die nicht durch einen homogenen Werkstoff beschreibbar sind. Das Korrigieren umfasst insbesondere ein Ändern von Parametern, die den konkreten Werkstoff an der entsprechenden Position beschreiben. Somit wird effektiv der Werkstoff an dieser Position geändert, wenn er nicht korrekt die gemessene Dehnung widerspeigelt.In particular, the measuring range can include inhomogeneous regions of the component that can not be described by a homogeneous material. In particular, the correction comprises changing parameters which describe the concrete material at the corresponding position. Thus, the material is effectively changed at this position if it does not correctly counter the measured strain.

Unter einer Dehnungsverteilung ist eine lokale Zuordnung von Dehnungswerten zu Bereichen des Bauteils zu verstehen. Dem Bauteil wird somit nicht ein konstanter Dehnungswert zugewiesen, sondern einzelnen Positionen oder Bereichen des Bauteils werden im Allgemeinen unterschiedliche Dehnungswerte zugewiesen, so dass die Dehnung als Funktion über dem Bauteil hinweg eine variable Größe darstellt. Der Schritt des Korrigierens umfasst insbesondere ein Ändern des lokalen Werkstoffes auf Basis der Dehnungsabweichung von Dehnungswerten, die zunächst den einzelnen Bereichen des Bauteils als Teil des Anfangsmodells zugewiesen werden können, wobei das Anfangsmodell einen „beliebigen” Start-Parametersatz haben kann. Unter der Annahme eines homogenen Werkstoffes kann zunächst eine zumindest in einem Teilbereich des Bauteils zugewiesen werden, die dann basierend auf den Berechnungen nach jedem iterativen Schritt entsprechend korrigiert wird. Die Ausgangswerte können beispielsweise charakteristische Größen des Werkstoffmaterials sein, die basierend auf der Geometrie und/oder dem Material des Bauteils den einzelnen Bereichen zugewiesen werden. Beispielsweise können die Werkstoffparameter des Grundwerkstoffs als Startparameter verwendet werden können.A strain distribution is a local assignment of strain values to areas of the component to understand. Thus, the component is not assigned a constant strain value, but individual strain positions or regions of the component are generally assigned different strain values, so that the strain as a function across the component represents a variable variable. In particular, the step of correcting comprises changing the local material based on the strain deviation of strain values, which can first be assigned to the individual regions of the component as part of the initial model, wherein the initial model can have an "arbitrary" start parameter set. Under The assumption of a homogeneous material can first be assigned to at least a portion of the component, which is then corrected based on the calculations after each iterative step. The output values may be, for example, characteristic quantities of the material material which are assigned to the individual regions based on the geometry and / or the material of the component. For example, the material parameters of the base material can be used as starting parameters.

Der Schritt des Messens kann optional ein Zuweisen von gemessenen Dehnungswerten zu Bereichen des Bauteils umfassen. Diese lokalen Dehnungswerte werden in weiteren Ausführungsbeispielen durch ein optisches Erfassen einer durch die Kraft verursachte Änderung eines auf das Bauteil ausgebildeten Musters ermittelt (Grauwertkorrelation oder Bildwertkorrelation). Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel für das Messen von Dehnungswerten und die Erfindung soll nicht darauf eingeschränkt sein.The step of measuring may optionally include assigning measured strain values to areas of the component. These local strain values are determined in further exemplary embodiments by optically detecting a change in a pattern formed on the component by the force (gray-scale correlation or image-value correlation). However, this is merely an example of measuring strain values, and the invention is not intended to be so limited.

In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Kraft beispielsweise eine Zugkraft, die den Bauteil entlang einer Zugrichtung auseinanderzieht, und die Schritte (a)–(c) werden wiederholt für eine Vielzahl von verschiedenen Zugkräften ausgeführt. Dadurch können verschiedene Punkte auf einer Spannungsdehnungskurve in zumindest einem Bereich des Bauteils erhalten werden. Bei der Ausführung der Schritte (a)–(c) können diese Schritte nacheinander für mehrere Kräfte (Dehnungszustände) ausgeführt werden und daran anschließend erfolgt die iterative Verbesserung aller Werkstoffparameter. Auf diese Weise werden erst Punkte auf den lokalen Spannungs-Dehnungs-Kurven auf Basis der verschiedenen Kraft- bzw. Dehnungszustände bestimmt (das ist schon ein Teil vom Schritt (d)), auf dieser Basis erfolgt die Werkstoffkorrektur (d). Auf diese Weise können die entsprechenden Parameter, die in das Materialgesetz eingehen, bestimmt werden. Jedem Bereich des Bauteils wird so eine Kurve zugeordnet, die das Dehnungsverhalten in Abhängigkeit der aufgewandten Kraft darstellt.For example, in other embodiments, the force is a tensile force that pulls the component apart along a pulling direction, and steps (a) - (c) are repeatedly performed for a plurality of different tensile forces. As a result, different points can be obtained on a stress-strain curve in at least one region of the component. When performing steps (a) - (c), these steps can be performed sequentially for multiple forces (strain states), and subsequently iteratively improves all material parameters. In this way, only points on the local stress-strain curves are determined on the basis of the different force or strain states (this is already a part of step (d)), on which basis the material correction (d) takes place. In this way, the corresponding parameters, which enter into the material law, can be determined. Each area of the component is assigned a curve that represents the expansion behavior as a function of the applied force.

Der Werkstoff kann durch ein Werkstoffgesetz beschrieben werden, welches einen Zusammenhang zwischen der Spannung und den Dehnungen darstellt. Das Werkstoffgesetz hängt jedoch auch von Parametern ab, die bei inhomogenen Werkstoffen von dem jeweiligen Bereich des Bauteils abhängen. Da das Werkstoffgesetz im Allgemeinen von mehreren Parametern abhängen kann, sind ebenfalls mehrere Messungen erforderlich, um alle Parameter eindeutig bestimmen zu können. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass mehrere Kräfte aufgewendet werden, so dass die daraus resultierenden mehreren Messungen eindeutig die Parameter bestimmen können. Daher ist bei weiteren Ausführungsbeispielen, wenn die Dehnungsverteilung durch ein Werkstoffgesetz bestimmt ist und das Werkstoffgesetz von einer Anzahl von lokalen Werkstoffparametern abhängt (d. h. von zumindest einem lokalen Parameter abhängt), die Vielzahl von verschiedenen Zugkräften durch die Anzahl von lokalen Werkstoffparametern gegeben (bzw. beiden Zahlen hängen voneinander ab oder sind miteinander verknüpft). In diesem Fall kann das Verfahren weiter ein Ändern des zumindest einen lokalen Werkstoffparameters im Ausgangsmodell umfassen, um dadurch das FE-Modell besser an den tatsächlichen Werkstoff anzupassen.The material can be described by a material law, which represents a relationship between the stress and the strains. However, the material law also depends on parameters that depend on the respective area of the component in the case of inhomogeneous materials. Since the material law can generally depend on several parameters, several measurements are also required to uniquely determine all parameters. This can be done, for example, by applying a plurality of forces, so that the resulting multiple measurements can unambiguously determine the parameters. Therefore, in other embodiments, if the strain distribution is determined by a material law and the material law depends on a number of local material parameters (ie, depends on at least one local parameter), then the plurality of different tensile forces are given by the number of local material parameters Numbers depend on each other or are linked). In this case, the method may further comprise changing the at least one local material parameter in the initial model to thereby better match the FE model to the actual material.

Das Ausgangsmodell ist beispielsweise durch Parameter wie die Geometrie und/oder das Material des Bauteils bestimmt. Bei dem Ausgangsmodell kann in einer ersten Näherung davon ausgegangen werden, dass der Werkstoff homogen ist. Die Inhomogenitäten werden anschließend durch den iterativen Prozess und unter Ausübung mehrerer Kräfte mit zunehmender Genauigkeit bestimmt. Um das Ausgangsmodel zu verbessern, wird bei weiteren Ausführungsbeispielen die Geometrie durch ein Einscannen des Bauteils erfasst. Das Einscannen liefert eine optische Abtastung, die die Geometrie des Bauteils automatisch erfassen und so ein genaues Ausgangsmodell bereitstellen kann. Der iterative Prozess liefert dann genauere Resultate liefern.The initial model is determined, for example, by parameters such as the geometry and / or the material of the component. In the initial model, it can be assumed in a first approximation that the material is homogeneous. The inhomogeneities are then determined by the iterative process and by applying multiple forces with increasing accuracy. In order to improve the output model, in further embodiments, the geometry is detected by scanning the component. Scanning provides an optical scan that can automatically capture the geometry of the part and thus provide an accurate initial model. The iterative process then delivers more accurate results.

In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren weiter ein Modellieren einer Vorgeschichte des Bauteils, um lokale Vorspannungen des Werkstoffes zu berücksichtigen. Dadurch kann der aktuell vorliegende Beanspruchungszustand berücksichtigt werden.In other embodiments, the method further includes modeling a history of the component to account for local biases of the material. As a result, the current state of stress can be taken into account.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird die aufgebrachte Kraft so stark gewählt, dass der Werkstoff des Bauteils sich plastisch verformt. Vorteilhafterweise verformen sich dabei alle Bereich des Messbereiches (der charakterisiert werden soll). Da der Werkstoff an jeder Position im Bauteil durch das Spannungs-Dehnungsverhalten beschreibbar ist, kann ohne Kenntnis der Vorgeschichte oder eventuell vorhandener Vorspannungen der Werkstoff lokal bestimmt werden.In further embodiments, the applied force is chosen so strong that the material of the component deforms plastically. Advantageously, all areas of the measuring range (which should be characterized) deform. Since the material can be described at any position in the component by the stress-strain behavior, the material can be determined locally without knowledge of the prehistory or possibly existing prestressing.

In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren weiter ein Partitionieren zumindest eines Teiles des Bauteils in Bereiche, denen Werkstoffe zugewiesen werden. Die Partitionierung kann beispielweise an die Geometrie oder anderen Faktoren (z. B. das Material) angepasst werden, um das Ausgangsmodell zu verbessern.In further embodiments, the method further includes partitioning at least a portion of the component into areas to which materials are assigned. The partitioning can be, for example adapted to the geometry or other factors (eg, the material) to improve the initial model.

In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren eine feste oder eine adaptive Partitionierung. Die feste Partitionierung ändert sich während des iterativen Prozesses nicht. Bei der adaptiven Partitionierung wird zumindest ein Bereich weiter unterteilt. Das kann beispielsweise geschehen, wenn innerhalb zumindest eines Bereiches eine Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert eines Werkstoffparameters, der durch das Verfahren iterativ verbessert wird, größer als ein vorgegebener Grenzwert ist. Dies ist jedoch nicht zwingend.In further embodiments, the method includes fixed or adaptive partitioning. Fixed partitioning does not change during the iterative process. In adaptive partitioning, at least one area is further subdivided. This can happen, for example, if, within at least one area, a difference between a maximum and a minimum value of a material parameter, which is iteratively improved by the method, is greater than a predefined limit value. However, this is not mandatory.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen basiert das Finite-Elemente-Modell auf Knoten (FE-Knoten) und die Bereiche, für die Dehnungswerte gemessen werden, umfassen mehrere FE-Knoten oder Rasterpunkte/Messpunkte sind einem FE-Knoten zugeordnet. Ein Abstand zwischen benachbarten FE-Knoten kann beispielsweise größer gewählt werden als ein Abstand zwischen Rastermesspunkten, wobei beispielsweise die Positionen der Rastermesspunkte entsprechend gewählt können, um dies zu erreichen. Der Schritt (c) kann ein Vergleichen des berechneten Dehnungswertes mit einer Kombination von mehrere gemessenen Dehnungswerten umfassen. Daher können bei diesem Prozess mehrere Messwerte für einen FE-Knoten genutzt werden, um diesem FE-Knoten einen Wert zuzuweisen. Bei diesen Zuweisungen kann beispielsweise eine Mittelung oder eine gewichtete Mittelung (z. B. in Abhängigkeit des Abstandes von dem Knoten) erfolgen.In further embodiments, the finite element model is based on nodes (FE nodes) and the regions for which strain values are measured include multiple FE nodes or halftone dots / measurement points are associated with a FE node. For example, a distance between adjacent FE nodes may be made larger than a distance between grid measurement points, for example, the positions of the grid measurement points may be selected to achieve this. Step (c) may include comparing the calculated strain value to a combination of a plurality of measured strain values. Therefore, this process can use multiple metrics for a FE node to assign a value to this FE node. In these assignments, for example, an averaging or weighted averaging (eg, depending on the distance from the node) can take place.

Insbesondere bei der adaptiven Partitionierung können mehrere Messwerte z. B. einem FE-Knoten zugewiesen werden, wobei in weiteren Ausführungsbeispielen in jeder Iterationsschleife die adaptive Partitionierung ein Ändern der Anzahl von zugewiesenen Messwerten zu einem jeweiligen FE-Knoten umfassen kann.In particular, in the adaptive partitioning multiple metrics z. A FE node, in other embodiments in each iteration loop the adaptive partitioning may include changing the number of assigned measurements to a respective FE node.

In weiteren Ausführungsbeispielen werden im Schritt (c) Oberflächenkomponenten der gemessenen und berechneten Dehnungsverteilung verglichen werden. Dies liefert das richtige Resultat, da angenommen werden kann, dass konstante Werkstoffzonen sich ins Bauteilinnere fortsetzen (Nutzung einer Symmetrie). So kann bei einer Schweißnaht davon ausgegangen werden, dass die an der Oberfläche vorliegenden Werkstoffe an den Endpunkten der Schweißnaht sich ohne große Änderungen ins Innere fortsetzen. Insbesondere wenn der beispielhafte Schweißvorgang automatisch abläuft, ist davon auszugehen, dass an unterschiedlichen Punkten entlang der Schweißnaht konstante Bedingungen herrschen, so dass sich Inhomogenitäten lediglich senkrecht zur Schweißnaht oder in der Tiefe ausbilden sollten.In further embodiments, surface components of the measured and calculated strain distribution will be compared in step (c). This provides the correct result, since it can be assumed that constant material zones continue into the component interior (use of a symmetry). Thus, in the case of a weld, it can be assumed that the materials present on the surface continue at the end points of the weld seam without major changes to the interior. In particular, if the exemplary welding process takes place automatically, it is to be assumed that constant conditions prevail at different points along the weld, so that inhomogeneities should only form perpendicular to the weld or in the depth.

In weiteren Ausführungsbeispielen, wenn der Beanspruchungspfad eine Hysteresekurve für zyklische Dehnungen beschreibt, kann eine Anzahl der ausgeübten Kräfte so gewählt werden, dass mehrere Stützstellen für einen Hystereseast berechnet und/oder gemessen werden. Zyklische Dehnungen sind wiederholende Beanspruchungen (Erhöhen und Verringern der Kraft) des Werkstoffes, d. h. es wird eine aufgewandte Kraft bis zu einer Maximalkraft erhöht und danach wird die Kraft sukzessive wieder bis zu einer Minimalkraft (beispielsweise kräftefrei) verringert. Daran anschließend kann die Kraft wieder bis zu einer Maximalkraft erhöht und wiederum verringert werden. Dieser Prozess kann sich zyklisch fortsetzen und führt zu den zyklischen Dehnungen.In other embodiments, when the stress path describes a hysteresis curve for cyclic strains, a number of the applied forces may be selected to calculate and / or measure multiple nodes for a hysteresis branch. Cyclic strains are repetitive stresses (increasing and decreasing the force) of the material, i. H. an applied force is increased up to a maximum force and thereafter the force is successively reduced again to a minimum force (for example, free of forces). Subsequently, the force can be increased again up to a maximum force and again reduced. This process can continue cyclically and leads to cyclic strains.

In weiteren Ausführungsbeispielen weist der Werkstoff mehrachsige Spannungszustände auf und das Verfahren umfasst ein Erfassen von zusätzlichen Vergleichsdehnungen, die für die mehrachsigen Spannungszustände sensitiv sind und die beispielsweise mit der Methode nach Von-Mises berechnet werden können.In other exemplary embodiments, the material has multiaxial stress states and the method comprises detecting additional comparative strains which are sensitive to the multiaxial stress states and which can be calculated, for example, by the Von Mises method.

Das Verfahren kann ebenfalls in Form von Anweisungen in Software oder auf einem Computerprogrammprodukt implementiert oder gespeichert sein, wobei die gespeicherten Anweisungen in der Lage sind, die Schritte nach dem Verfahren auszuführen, wenn das Verfahren auf einem Prozessor läuft. Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung ebenfalls auf ein Computerprogrammprodukt mit darauf gespeichertem Software-Code (Softwareanweisungen), der ausgebildet ist, um eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen oder Funktionen bereitzustellen, wenn der Software-Code durch eine Verarbeitungseinheit ausgeführt wird. Die Verarbeitungseinheit kann jede Form von Computer oder Steuereinheit sein, die einen entsprechenden Mikroprozessor aufweist, der einen Software-Code ausführen kann.The method may also be implemented or stored in the form of instructions in software or on a computer program product, the stored instructions being capable of performing the steps of the method as the method runs on a processor. Therefore, the present invention also relates to a computer program product having software code (software instructions) stored thereon configured to perform one of the above-described methods or to provide functions when the software code is executed by a processing unit. The processing unit may be any form of computer or control unit having a corresponding microprocessor capable of executing a software code.

Es versteht sich, dass die genannte Reihenfolge der zuvor definierten Schritte keine zeitliche Abfolge bedeutet oder nur insoweit, wie es zwingend erforderlich ist. Die Schritte können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Ebenso können einige der genannten Schritte erst nach oder vor dem iterativen Verbessern ausgeführt werden.It is understood that the named sequence of the previously defined steps means no chronological sequence or only insofar as it is absolutely necessary. The steps can be performed in any order. Likewise, some of the above steps may be performed after or before iterative enhancement.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Spannungs-Dehnungsverhaltens eines Bauteils, das einen inhomogenen Werkstoff oder mehrere Werkstoffe aufweist und in einem Anfangszustand durch ein Ausgangsmodell beschreibbar ist. Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zum Messen einer Dehnungsverteilung für das Bauteil nach Anlegen von zumindest einer Kraftkomponente auf das Bauteil und eine Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, um die folgenden Schritte iterativ auszuführen: (b) Berechnen einer Dehnungsverteilung für das Bauteil unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells basierend auf der ausgeübten Kraft und dem Ausgangsmodell; (c) Vergleichen der berechneten Dehnungsverteilung mit der gemessenen Dehnungsverteilung; (d) Korrigieren des Ausgangsmodells basierend auf dem Vergleich (c); und (e) iteratives Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d) bis eine Abweichung zwischen der gemessenen Dehnungsverteilung und der berechneten Dehnungsverteilung unterhalb eines Schwellenwertes liegt. The present invention also relates to a device for characterizing a stress-strain behavior of a component which has an inhomogeneous material or a plurality of materials and is writable in an initial state by an initial model. The device comprises a device for measuring a strain distribution for the component after applying at least one force component to the component and a processing unit. The processing unit is configured to iteratively perform the following steps: (b) calculating a strain distribution for the component using a finite element model based on the applied force and the output model; (c) comparing the calculated strain distribution with the measured strain distribution; (d) correcting the initial model based on the comparison (c); and (e) iteratively repeating steps (b), (c) and (d) until a deviation between the measured strain distribution and the calculated strain distribution is below a threshold.

Ein wesentlicher Vorteil von Ausführungsbeispielen liegt daran, dass die Vorgeschichte des Bauteils oder lokal vorhanden Spannungen nicht bekannt sein müssen, da nach Lastumkehr der Beanspruchungspfad im Ursprung des Hystereseastes beginnt. Wenn die aufgewandte Kraft so stark ist, dass das Material des Bauteils plastisch verformt wird, können die berechneten Dehnungswerte genutzt werden, um eindeutig das Material an dem jeweiligen Punkt des Bauteils zu beschreiben.A significant advantage of embodiments is that the history of the component or locally present voltages need not be known because the load path begins at the origin of the hysteresis after load reversal. If the applied force is so strong that the material of the component is plastically deformed, the calculated strain values can be used to uniquely describe the material at the particular point of the component.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass keine Korrelation von Messwerten zu Werkstoffparametern notwendig ist. Außerdem ist das Verfahren für beliebige Schwingspiele zur Bestimmung des transienten Werkstoffverhaltens einfach durchführbar. Ferner kann eine lokale Bestimmung beliebig angeordneter Werkstoffe auch für nichtkonstante Parameter oder nichtkonstante Spannungen im Querschnitt durchgeführt werden. Somit ist das Verfahren auch für inhomogene Spannungs-/Verzerrungszustände wie beispielsweise an Kerben anwendbar.Embodiments of the present invention offer the advantage that no correlation of measured values to material parameters is necessary. In addition, the method for any vibrational games to determine the transient material behavior is easy to carry out. Furthermore, a local determination of any materials arranged arbitrarily arranged for non-constant parameters or non-constant voltages in the cross section. Thus, the method is also applicable to inhomogeneous stress / strain states such as notches.

Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen funktioniert auch bei statischer und somit nicht-zyklischer Belastung, bei der der Minimumszustand der unbelastete Ausgangszustand ist.The method according to embodiments also works with static and thus non-cyclic loading, in which the minimum state is the unloaded initial state.

Im Gegensatz zur den bekannten Verfahren ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung keine aufwendige Optimierung erforderlich, da sowohl die Richtung als auch die Schrittweite für die Korrektur des Werkstoffes im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens implizit vorgegeben sind.In contrast to the known methods, no elaborate optimization is required in embodiments of the present invention, since both the direction and the step size for the correction of the material are implicitly specified in the context of the method according to the invention.

Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen bestehen in der werkstoffmechanisch basierten Vorgehensweise, die eine direkte Ermittlung von Spannungen und damit auch von Werkstoffparametern ermöglicht, ohne dabei Fehler berücksichtigen zu müssen, die durch Näherungen auftreten würden. Dies führt zu einer genauen Berechnung. Dadurch lassen sich hohe Sicherheitsfaktoren bei der Bemessung in Verbindung mit entsprechend hohem Materialeinsatz (dickere Bauteile) vermeiden. Außerdem erspart die verbesserte Simulation umfangreiche Versuchsreihen in vielen verschiedenen Konstellationen. Versuche können außerdem an der Probe anstatt an dem gesamten Bauteil durchgeführt werden und sind insbesondere für Serienbauteile geeignet, die alle gleiche Inhomogenitäten aufweisen.Further advantages of embodiments are the material-mechanical based approach that allows a direct determination of stresses and thus also of material parameters, without having to take into account errors that would occur by approximations. This leads to a precise calculation. As a result, high safety factors can be avoided during dimensioning in conjunction with correspondingly high material usage (thicker components). In addition, the improved simulation saves extensive test series in many different constellations. Trials may also be performed on the sample rather than on the entire component and are particularly suitable for series components, all of which have the same inhomogeneities.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.The embodiments of the present invention will be better understood from the following detailed description and the accompanying drawings of the different embodiments, which should not be construed as limiting the disclosure to the specific embodiments, but for explanation and understanding only.

1 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Charakterisierung eines Spannungsdehnungsverhaltens eines Werkstoffes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 shows a flowchart for a method for characterizing a stress-strain behavior of a material according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt ein beispielhaftes Bauteil mit einem Messbereich (Verbindungsbereich). 2 shows an exemplary component with a measuring range (connection area).

3A, B zeigen drei verschiedene Hysteresekurven für inhomogene Materialien/Werkstoff und eine Veranschaulichung für das Ausbilden von Spannungsumlagerungen. 3A , B show three different hysteresis curves for inhomogeneous materials / material and an illustration of forming stress redistributions.

4 zeigt eine Querschnittsansicht bzw. Seitenansicht durch das Bauteil, auf den eine Zugkraft F ausgeübt wird. 4 shows a cross-sectional view or side view through the component on which a tensile force F is applied.

5 veranschaulicht die Unterteilung des Messbereiches in mehrere Rastermesspunkte. 5 illustrates the division of the measuring range into several grid measuring points.

6A, B zeigen eine Verteilung von Knoten des Finite-Elemente-Verfahrens und veranschaulichen eine Zuweisung von gemessenen Werten zu FE-Knoten. 6A , B show a distribution of nodes of the finite element method and illustrate an assignment of measured values to FE nodes.

7 veranschaulicht eine knotenbasierte Korrektur des Werkstoffes (hier mit einem Beanspruchungspunkt). 7 illustrates a node-based correction of the material (here with a stress point).

8A, B veranschaulichen eine adaptive und eine feste Partitionierung. 8A , B illustrate adaptive and fixed partitioning.

9A, B zeigen Beanspruchungspunkte aus verschiedenen Zuständen entlang von Spannungsdehnungskurven. 9A , B show stress points from different states along stress-strain curves.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

1 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Charakterisierung eines Spannungs-Dehnungsverhaltens eines Bauteils mit Werkstoffinhomogenitäten. Das Bauteil wird im Anfangszustand zunächst durch ein Ausgangsmodell beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Messen S110 einer Dehnungsverteilung bei Ausübung einer Kraft auf das Bauteil und Berechnen S120 einer Dehnungsverteilung für den Werkstoff unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells basierend auf der ausgeübten Kraft und dem Ausgangsmodell. Daran anschließend erfolgt ein Vergleichen S130 der berechneten Dehnungsverteilung mit der gemessenen Dehnungsverteilung. Dieser Vergleich kann beispielsweise für jeden FE-Knoten knotenweise erfolgen. Basierend auf den Vergleich S130 erfolgt ein Korrigieren S140 des Ausgangsmodells hinsichtlich des Werkstoffs (Materialparameter). Die Schritte S120, S130, S140 werden solange wiederholt bis eine Abweichung zwischen der gemessenen Dehnungsverteilung und der berechneten Dehnungsverteilung unterhalb eines Schwellenwertes liegt. 1 shows a flow chart for a method for characterizing a stress-strain behavior of a component with material inhomogeneities. The component is initially described by an initial model in the initial state. The method comprises the steps of measuring S110 an elongation distribution upon application of a force to the component and calculating S120 a strain distribution for the material using a finite element model based on the applied force and the output model. This is followed by a comparison S130 of the calculated strain distribution with the measured strain distribution. For example, this comparison can be done node by node for each FE node. Based on the comparison S130, a correction S140 of the initial model with respect to the material (material parameter) takes place. The steps S120, S130, S140 are repeated until a deviation between the measured strain distribution and the calculated strain distribution is below a threshold value.

Ausführungsbeispiele nutzen somit eine Kombination aus einer Dehnungsmessung, die beispielsweise mittels optischer Bilderfassung (3D-Bildkorrelation/Grauwertkorrelation) durchgeführt werden kann, und einer Finite-Elemente-Berechnung, um die Beanspruchung des Bauteils zu ermitteln. Die Berechnung erfolgt iterativ und der Werkstoff wird von Berechnung zu Berechnung korrigiert bis die gemessene Dehnungsverteilung im Modell richtig (innerhalb vorgegebener Grenzen) abgebildet wird.Embodiments thus use a combination of a strain measurement, which can be performed for example by means of optical image acquisition (3D image correlation / gray value correlation), and a finite element calculation to determine the stress of the component. The calculation is made iteratively and the material is corrected from calculation to calculation until the measured strain distribution in the model is mapped correctly (within specified limits).

Die lokale Beanspruchung im Bauteil wird neben den gegebenen Randbedingungen (wie beispielsweise die aufgewendete Kraft und die Lagerung) maßgeblich durch die Geometrie und den Werkstoff bestimmt. Gemäß Ausführungsbeispielen wird der Werkstoff als einzig unbekannte Größe unter Nutzung der Finite-Elemente-Berechnung bestimmt. Dafür sind alle übrigen Größen im Finite-Elemente-Modell realitätsnah zu berücksichtigen. Beispielsweise kann die Geometrie auf Basis eines Scans (z. B. eine optische Abtastung) modelliert werden. Damit stehen aktuelle Geometriekoordinaten bei Start der Werkstoff Parameterbestimmung zur Verfügung.In addition to the given boundary conditions (such as the applied force and the bearing), the local stress in the component is largely determined by the geometry and the material. According to embodiments, the material is determined to be the only unknown quantity using the finite element calculation. All other variables in the finite element model have to be taken into account in a realistic way. For example, the geometry may be modeled based on a scan (eg, an optical scan). Thus, current geometry coordinates are available at the start of the material parameter determination.

Der Werkstoff kann allerdings nicht direkt bestimmt werden. Er wird durch einen oder eine Vielzahl von lokalen, d. h. ortsgebundenen Parametern (hängen von der Position im Bauteil ab), charakterisiert. Zwischen den lokalen Parametern herrschen rechnerische Abhängigkeiten, wobei die Gesamtlösung eine einzige gemessene Dehnungsverteilung ergibt. Im Gegensatz zu dem konventionellen Verfahren aus der DE 2009 10 052 967 liefern Ausführungsbeispielen Werte der Werkstoffparameter für verschiedenen Positionen im Bauteil. Dadurch werden die Parameter für einen inhomogenen Werkstoff bestimmt oder, anders ausgedrückt, Parameter des Werkstoffgesetzes werden für verschiedene Werkstoffe ermittelt.However, the material can not be determined directly. It is characterized by one or a plurality of local, ie, localized parameters (depending on the position in the component). Computational dependencies prevail between the local parameters, with the overall solution giving a single measured strain distribution. Unlike the conventional method from the DE 2009 10 052 967 Embodiments provide values of the material parameters for different positions in the component. This determines the parameters for an inhomogeneous material or, in other words, parameters of the material law are determined for different materials.

2 zeigt ein beispielhaftes Bauteil 200, das einen ersten Abschnitt 210 und einen zweiten Abschnitt 220 aufweist, die durch einen Verbindungsabschnitt 230 miteinander verbunden sind. Der Verbindungsabschnitt 230 weist beispielsweise eine Schweißnaht auf, die den ersten Abschnitt 210 mit dem zweiten Abschnitt 220 verbindet. Die Schweißnaht in dem Verbindungsabschnitt 230 stellt ein Beispiel für eine Werkstoffinhomogenität dar, die entlang der Verbindungslinie zwischen dem ersten Abschnitt 210 und dem zweiten Abschnitt 220 ausgebildet ist, nicht aber zwingenderweise senkrecht dazu. 2 shows an exemplary component 200 that a first section 210 and a second section 220 having, through a connecting portion 230 connected to each other. The connecting section 230 For example, has a weld that the first section 210 with the second section 220 combines. The weld in the connection section 230 represents an example of a material inhomogeneity, along the connecting line between the first section 210 and the second section 220 is formed, but not necessarily perpendicular to it.

Die Inhomogenitäten des Werkstoffes können sich auf intrinsische Eigenschaften wie eine andere chemische Zusammensetzung oder eine andere Kristallisierung beziehen.The inhomogeneities of the material may relate to intrinsic properties such as another chemical composition or crystallization.

Hier sind insbesondere die daraus resultierenden Festigkeitsunterschiede von Bedeutung. Unabhängig davon beziehen sich geometrische Inhomogenitäten beispielsweise auf andere Formen des Bauteils, wie sie in der 2 zu sehen sind, wo das Bauteil innerhalb des Verbindungsabschnittes 230 (Messbereich) einen kleineren Querschnitt aufweist als in dem ersten Abschnitt 210 oder dem zweiten Abschnitt 220.Here, in particular, the resulting strength differences are of importance. Regardless, geometrical inhomogeneities relate, for example, to other forms of the component, such as in the 2 You can see where the component is inside the connection section 230 (Measuring range) has a smaller cross section than in the first section 210 or the second section 220 ,

Spannungsumlagerungen sind auch bei homogenem Werkstoff und geometrischen Inhomogenitäten vorhanden, und zwar wenn die Beanspruchung über den linear elastischen Bereich hinausgeht. Bedingt durch die Werkstoffinhomogenitäten im Querschnitt kann es bei Beanspruchungen zu zusätzlichen Spannungsumlagerungen kommen. Für die Spannungsumlagerungen sind beispielsweise die Verhältnisse der momentanen Tangentenmodule der lokalen Spannungsdehnungskurven verantwortlich. Sind im Bauteil bereits Spannungen vorhanden (z. B. Eigenspannungen), startet der Beanspruchungspfad bei Belastungsbeginn an einem Punkt auf der Spannungsdehnungskurve, der nicht im Ursprung liegt. Dies beeinflusst die Verhältnisse der Tangentenmodule. Bei der Berechnung kann dies durch eine Erfassung der „Vorgeschichte” des Werkstoffes mitberücksichtigt werden, um so die lokale Beanspruchung richtig zu erfassen.Stress relocations are also present for homogeneous material and geometric inhomogeneities, when the stress exceeds the linear elastic range. Due to the material inhomogeneities in the cross-section, additional stress redistributions may occur under stresses. For example, the ratios of the instantaneous tangent modules of the local stress-strain curves are responsible for the voltage redistributions. If stresses are already present in the component (eg residual stresses), the load path starts at the beginning of the load at a point on the stress-strain curve that does not lie in the origin. This affects the ratios of the tangent modules. In the calculation, this can be taken into account by recording the "history" of the material in order to capture the local stress correctly.

Ein Sonderfall stellt eine zyklische Beanspruchung dar, bei der der Beanspruchungspfad eine Hysterese bildet, wobei die Hystereseäste nach jeder Belastungsumkehr erneut in ihrem Ursprung starten (Sonderfall I). In diesem Fall erübrigt sich eine Berücksichtigung der Vorgeschichte, was auch bei statischer Beanspruchung eines unbelasteten Bauteils (ohne Eigenspannung) bzw. bei einer Erstbelastung (Sonderfall II) der Fall ist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere auf diese beiden Sonderfälle anwendbar.A special case represents a cyclic load, in which the stress path forms a hysteresis, whereby the hysteresis branches start again after each load reversal in their origin (special case I). In this case, a consideration of the history, which is also the static load of an unloaded component (without residual stress) or at a first load (special case II) is unnecessary. The method according to the present invention is particularly applicable to these two special cases.

3A zeigt beispielhaft drei verschiedene Hysteresekurven, eine erste Hysteresekurve 601, eine zweite Hysteresekurve 602 und eine dritte Hysteresekurve 603. Jede Hysteresekurve beschreibt die Abhängigkeit der Spannung σ als Funktion der Dehnung ε, wobei jede Hysteresekurve 601, 602, 603 den Beanspruchungsverlauf an verschiedenen Positionen im Bauteil 200 entsprechen und eine jeweilige Inhomogenität darstellt. Da an den einzelnen Positionen in einem inhomogenen Werkstoff 200 bereits Spannungen existieren können, kommt es zu den verschiedenen Hysteresekurven 601, 602 und 603 in verschiedenen Gebieten der σ-ε-Ebene. Für die zuvor genannte Umlagerung sind die lokalen Steigungen maßgebend, die unabhängig von der Lage des Umkehrpunktes im Spannungs-Dehnungs-Diagramm sind. Daher ist es möglich, die einzelnen Hystereseäste ab ihrem (unteren) Umkehrpunkt in den Ursprung der σ-ε-Ebene zu verschieben (Zweige 611, 612, 613 auf der rechten Seite in 3A). Ein erster Zweig 611 entspricht dabei der Hysteresekurve 601, ein zweiter Zweig 612 entspricht der zweiten Hysteresekurve 602 und ein dritter Zweig 613 entspricht der dritten Hysteresekurve 603. Der zunächst vorliegende lineare Abschnitt stellt dabei das übliche elastische Werkstoffverhalten dar. 3A shows by way of example three different hysteresis curves, a first hysteresis curve 601 , a second hysteresis curve 602 and a third hysteresis curve 603 , Each hysteresis curve describes the dependence of stress σ as a function of strain ε, with each hysteresis curve 601 . 602 . 603 the stress profile at different positions in the component 200 correspond and represents a respective inhomogeneity. Because at the individual positions in an inhomogeneous material 200 tensions already exist, it comes to the various hysteresis curves 601 . 602 and 603 in different areas of the σ-ε-plane. For the aforementioned rearrangement, the local slopes are decisive, which are independent of the position of the reversal point in the stress-strain diagram. It is therefore possible to shift the individual hysteresis branches from their (lower) reversal point to the origin of the σ-ε plane (branches 611 . 612 . 613 on the right in 3A ). A first branch 611 corresponds to the hysteresis curve 601 , a second branch 612 corresponds to the second hysteresis curve 602 and a third branch 613 corresponds to the third hysteresis curve 603 , The initially present linear section represents the usual elastic material behavior.

Die Geometrie des Bauteils 200 (bei Lastumkehr) kann mithilfe von Scans und/oder der 3D-Bildkorrelationssoftware ermittelt werden.The geometry of the component 200 (at load reversal) can be determined using scans and / or 3D image correlation software.

3B zeigt den unterschiedlichen Beanspruchungsverlauf. Beispielsweise wird bei einer Erstbelastung 620 eine Kurve ausgehend von dem Ursprung der σ-ε-Ebene durchlaufen. Nach Erreichen der Maximalkraft wird bei zyklischen Beanspruchungen daran anschließend die Hysteresekurve 630 durchlaufen, die jedoch nicht wieder zu dem Ursprung zurückgelangt. Die 3A zeigt beispielhaft 3 Möglichkeiten der Hysteresekurven bei unterschiedlichen Werkstoffen in einem Bauteilquerschnitt, die letztlich zu Spannungsumlagerungen führen. Häufig wird der Werkstoff durch den Erstbelastungspfad charakterisiert. Bei zyklischen Beanspruchungen können Hystereseäste zugrunde gelegt werden, wobei die Parameter des Hystereseastes bestimmt werden. Da beide Pfade zusammenhängen (siehe 3B), können anschließend auch die Parameter der „normalen Spannungs-Dehnungs-Kurve” des Werkstoffs berechnet werden (Erstbelastungsast). 3B shows the different stress profile. For example, at a first load 620 go through a curve starting from the origin of the σ-ε-plane. When the maximum force is reached, the hysteresis curve is then cyclically stressed 630 go through, but does not come back to the origin. The 3A shows by way of example 3 possibilities of hysteresis curves for different materials in a component cross section, which ultimately lead to voltage rearrangements. Often the material is characterized by the first load path. For cyclic loads hysteresis branches can be used, whereby the parameters of the hysteresis branch are determined. Since both paths are related (see 3B ), the parameters of the "normal stress-strain curve" of the material can then be calculated (initial load).

4 zeigt eine Querschnittsansicht/Seitenansicht des Bauteils 200, wobei eine Kraft F ausgeübt wird, die den ersten Abschnitt 210 von dem zweiten Abschnitt 220 „wegzieht” und somit Dehnungen in dem Messbereich 230 bewirkt. Innerhalb des Messbereiches 230 können beispielsweise Werkstoffinhomogenitäten 1, 2, 3, ... vorhanden sein, deren Spannungsdehnungsverhalten durch das erfindungsgemäße Verfahren analysiert werden soll. Als bekannt kann dabei Folgendes angenommen werden: Die Kraft F, eine Dehnungsverteilung, eine Geometrie (z. B. im Belastungsminimum bei F = 0). Die Kraft braucht im Belastungsminimum nicht zu verschwinden. Beispielsweise können alle in der Berechnung aufgebrachten Kräften Kraftdifferenzen von einer aktuellen Kraft des untersuchten Zustandes und Kraft im Belastungsminimum/Umkehrpunkt sein. Analog gilt das auch für die gemessenen Dehnungen. Es können immer Dehnungen zugrunde gelegt werden, die sich ab dem Minimum ergeben haben (Dehnungsdifferenzen). 4 shows a cross-sectional view / side view of the component 200 , wherein a force F is exerted that the first section 210 from the second section 220 "Pulls away" and thus strains in the measuring range 230 causes. Within the measuring range 230 For example, material inhomogeneities 1, 2, 3,... may be present whose stress-strain behavior is to be analyzed by the method according to the invention. The following can be assumed to be known: the force F, a strain distribution, a geometry (eg in the stress minimum at F = 0). The force does not need to disappear in the minimum strain. For example, all of the forces applied in the calculation may be force differences from a current force of the state under investigation and force in the minimum strain point / reversal point. The same applies analogously to the measured strains. It can always be based on strains that have resulted from the minimum (elongation differences).

Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Beanspruchung ausgehend vom Ursprung (Anfangszustand, wie z. B. in der 3A rechts veranschaulicht) zu einem weiteren Beanspruchungszustand (nach monoton steigender Belastung, F ≠ 0) nachgerechnet. Außerdem werden in einem Begleitversuch gemessene Dehnungen als Datenbasis für die Berechnung der Dehnungsverteilung verwendet. Im Allgemeinen werden Dehnungsverteilungen für n Zustände berechnet, wobei die Zahl n an zu bestimmenden Werkstoffparametern angepasst werden kann. Der Anfangszustand wird insbesondere bei einer zyklischen Beanspruchung benötigt, während die Anfangsdehnungen bei dem Sonderfall II (statische Beanspruchung ohne vorherige Belastung) null sind (siehe 3B).According to embodiments, the stress is calculated from the origin (initial state, such as in the 3A right) to another state of stress (after monotone increasing load, F ≠ 0) recalculated. In addition, strains measured in an accompanying experiment are used as a database for the calculation of the strain distribution. In general, strain distributions are calculated for n states, whereby the number n of material parameters to be determined can be adapted. The initial state is needed in particular for a cyclic load, while the initial strains in the special case II (static load without prior loading) are zero (see 3B ).

Die Spannungsdehnungskurve bei zyklischen Beanspruchungen wird beispielsweise durch die folgende Ramberg-Osgood-Gleichung beschrieben:

Figure DE102016108991A1_0002
wobei ε die Dehnung, σ die Spannung, der Werkstoffparameter E der Elastizitätsmodul und n' ein Parameter ist (n' < 1). Die beiden Parameter E und n' können beispielsweise als konstant über das gesamte Bauteil angenommen werden, was für viele Werkstoffgruppen realistisch ist. Daher braucht für einen Werkstoff, der dieser Gleichung genügt, lediglich der freie Werkstoffparameter K' über Messungen der Dehnungsverteilung im Anfangs- und Endzustand ermittelt zu werden. Da der Parameter K' im Allgemeinen eine ortsabhängige Funktion ist, hat er in verschiedenen Bereichen des Bauteils einen anderen Wert.The stress strain curve for cyclic stresses is described, for example, by the following Ramberg-Osgood equation:
Figure DE102016108991A1_0002
where ε is the strain, σ is the stress, the material parameter E is the elastic modulus and n 'is a parameter (n'<1). For example, the two parameters E and n 'can be assumed to be constant over the entire component, which is realistic for many material groups. Therefore, for a material that satisfies this equation, only the free material parameter K 'needs to be determined via measurements of the strain distribution in the initial and final states. Since the parameter K 'is generally a location-dependent function, it has a different value in different areas of the component.

Das Werkstoffgesetz aus der Gleichung (1) ist lediglich ein Beispiel. Die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung für ein beliebiges Werkstoffgesetz, das sich durch einen funktionalen Zusammenhang σ = σ(ε, pi) oder ε = ε(σ, qi) darstellen lässt, angewendet werden, wobei pi, qi(i = 1, 2, ...) eine beliebige Anzahl von konstanten oder variablen Parametern darstellt.The material law from equation (1) is just one example. However, the invention is not limited thereto. Rather, the invention for any material law, which can be represented by a functional relationship σ = σ (ε, p i ) or ε = ε (σ, q i ) can be applied, where p i , q i (i = 1 , 2, ...) represents any number of constant or variable parameters.

Auch wenn bei zyklischen Beanspruchung (Sonderfall I) K' zunächst ein Parameter des Hystereseastes ist, kann dieser Parameter leicht in einen Parameter des Werkstoffgesetztes umgerechnet werden (Zusammenhang Hystereseast und Werkstoffgesetz vgl. 3B). Da bei der Erstbelastung (Sonderfall II) die Beanspruchung nach dem Werkstoffgesetz verläuft, würden hier die ursprünglichen Werkstoffparameter direkt bestimmt werden. In jedem Fall bestimmt das iterative Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung immer Parameter, die den Beanspruchungspfad beschreiben.Even if cyclic loading (special case I) K 'is initially a parameter of the hysteresis branch, this parameter can easily be converted into a parameter of the material law (for the relationship hysteresis and material law cf. 3B ). Since during the initial load (special case II) the load is in accordance with the material law, the original material parameters would be determined directly here. In any case, the iterative method according to the present invention always determines parameters that describe the stress path.

Um den Einfluss von Streuungen auf das Ergebnis der Parameter zu minimieren, können bei weiteren Ausführungsbeispielen mehrere Stützstellen auf einem gegebenen Hystereseast bzw. auf der statischen Spannungsdehnungskurve verwendet werden. Damit werden für verschiedene Kräfte mehrere Dehnungsverteilungen (jeweils eine Dehnungsverteilung für eine bestimmte Kraft) erhalten. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die zugrunde gelegte(n) Dehnungsverteilung(en) das abzubildende Werkstoffverhalten ausreichend genau repräsentieren. Sollen beispielsweise Parameter bestimmt werden, die das elastisch-plastische Werkstoffverhalten beschreiben, werden Dehnungen mit elastisch-plastischen Anteilen als Datenbasis genutzt.In order to minimize the influence of scattering on the result of the parameters, in further embodiments, several nodes on a given hysteresis branch or on the static stress-strain curve can be used. Thus, several strain distributions (each a strain distribution for a given force) are obtained for different forces. In this case, it is advantageous if the underlying strain distribution (s) represent the material behavior to be imaged with sufficient accuracy. If, for example, parameters are to be determined that describe the elastic-plastic material behavior, strains with elastic-plastic parts are used as a database.

5 veranschaulicht die Unterteilung des Messbereiches 230 in mehrere Rastermesspunkte 301, für die Dehnungswerte ermittelt werden. Die Rastermesspunkte 301 können beispielsweise Knoten eines Finite-Elemente-Verfahrens sein, brauchen es aber nicht zu sein. Die Dehnungsmessungen werden in der Regel nur in einem Messbereich 230 des Bauteils 200 durchgeführt, so dass die Werkstoffparameter auch nur in diesem Messbereiches 230 ermittelt werden. Als Datenbasis für das iterative Verfahren stehen i. A. Oberflächendehnungen zur Verfügung, die beispielsweise aus einer optischen Messung beim Ausüben der Kraft F ermittelt werden können. Hierzu werden beispielsweise an dem Punkt die Dehnungen auf Basis eines Verschiebungsfeldes ermittelt. Dementsprechend werden die Oberflächendehnungen in verschiedene Komponenten des Dehnungstensors unterteilt, je nachdem in welche Richtung die Dehnung erfolgt (ε_xx, ε_yy, ε_xy), wobei x und y Tangentialvektoren auf der Oberfläche des Werkstoffes sind und zu einem lokalen Koordinatensystem mit einem Ursprung im jeweiligen Rasterpunkt 301 gehören. Die gemessenen Dehnungsverteilungen ε liegen dann in Form von diskreten Werten vor, die rasterförmig in dem Messbereich 230 verteilt sind. 5 illustrates the subdivision of the measuring range 230 in several grid measuring points 301 for which strain values are determined. The grid measurement points 301 may, for example, be nodes of a finite element method, but need not be. The strain measurements are usually only in one measuring range 230 of the component 200 performed, so that the material parameters only in this measuring range 230 be determined. The database for the iterative process is i. A. Surface expansions available, which can be determined for example from an optical measurement when applying the force F. For this purpose, for example, the strains are determined on the basis of a displacement field at the point. Accordingly, the surface expansions are subdivided into different components of the strain tensor, depending on the direction in which the strain occurs (ε_xx, ε_yy, ε_xy), where x and y are tangent vectors on the surface of the material and a local coordinate system with an origin in the respective grid point 301 belong. The measured strain distributions ε are then in the form of discrete values which are grid-shaped in the measuring range 230 are distributed.

6A zeigt eine Verteilung von Knoten 302 des Finite-Elemente-Netzes (z. B. bei einem Tetraedernetz) über den Messbereich 230. Diese Verteilung wird, kann den konkreten Gegebenheiten angepasst werden (z. B. der Geometrie). Bei der Ausführung der Finite-Elemente-Berechnung werden die Dehnungen beispielsweise an Integrationspunkten berechnet. Sie können aber als interpolierte Werte an den Oberflächenknoten 302 ausgegeben werden. Somit wird im Rahmen des Finite-Elemente-Verfahrens die Dehnungen an diesen Knoten 302 die Dehnungen ermittelt. 6A shows a distribution of nodes 302 of the finite element network (eg in the case of a tetrahedral network) over the measuring range 230 , This distribution becomes, can be adapted to the concrete conditions (eg the geometry). When executing the finite element calculation, the strains are calculated, for example, at integration points. But they can be used as interpolated values at the surface nodes 302 be issued. Thus, in the context of the finite element method, the strains on these nodes 302 determines the strains.

6B zeigt eine Zuweisung der (gemessenen) Dehnungen an den Messpunkten 301 (siehe 5) zu den Knoten 302 des Finite-Elemente-Modells. Hierzu kann beispielsweise ein Kreis mit einem Radius R um jeden Knoten 302 der finiten Elemente herum definiert werden und die gemessenen Werte der in dem Kreis liegenden Rastermesspunkten 301 dem entsprechenden Knoten 302 zugeordnet werden. Optional kann dabei eine gewichtete Interpolation der (gemessenen) Dehnungen vorgenommen werden. Für die richtige Zuordnung der Rastermesspunkte 301 zu den FE-Knoten 302 werden z. B. die gleichen (globaler) Koordinaten und die gleichen Positionen im Raum bei der Messung und der Berechnung genutzt. Der Radius R kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Abstand des Finite-Elemente-Knotens 302 und der zur Verfügung stehenden Datenbasis (Abstand der Rastermesspunkte 301) gewählt werden. Die Dehnungswerte der zugeordneten Rastermesspunkte 301 können entsprechend ihrem Abstand zum FE-Knoten 302 gewichtet gemittelt werden, so dass dem Knoten ein diskreter Wert (je gemessener Dehnungskomponente) zugewiesen werden kann. Außerdem kann der Abstand der Rastermesspunkte 301 vorgegeben werden und sollte sinnvollerweise etwas kleiner gewählt werden als der Abstand der Knoten 302 des Finite-Elemente-Netzes, so dass jedem Knoten 302 zumindest ein Messwert zugeordnet werden kann. 6B shows an assignment of the (measured) strains at the measuring points 301 (please refer 5 ) to the nodes 302 of the finite element model. For example, this may be a circle with a radius R around each node 302 of the finite elements and the measured values of the grid measurement points in the circle 301 the corresponding node 302 be assigned. Optionally, a weighted interpolation of the (measured) strains can be carried out. For the correct assignment of the grid measuring points 301 to the FE nodes 302 be z. For example, the same (global) coordinates and the same positions in space are used in the measurement and calculation. The radius R can, for example, depending on the distance of the finite element node 302 and the available database (distance of grid measurement points 301 ) to get voted. The strain values of the assigned grid measurement points 301 can according to their distance to the FE node 302 weighted averaged so that the node can be assigned a discrete value (per measured strain component). In addition, the spacing of the grid measurement points 301 should be given and should be chosen somewhat smaller than the distance of the nodes 302 of the finite element network, allowing each node 302 at least one measured value can be assigned.

Auf diese Weise werden die gemessenen und berechneten Werte miteinander verknüpft, wobei Messwerte allen Knoten 302 des Finite-Elemente-Modells im Messbereich 230 zugewiesen werden (nicht nur an ausgewählten Identifikationsknoten). Es sollten jedoch Knoten ausgenommen werden, die auf einer Partitionsgrenze liegen, da hier das Ergebnis auf verschiedenen Werkstoffen beruht.In this way, the measured and calculated values are linked together, with measurements being made to all nodes 302 of the finite element model in the measuring range 230 be assigned (not only to selected identification nodes). However, nodes that are on a partition boundary should be excluded as the result is based on different materials.

Nachdem die Datenbasis in Form von diskreten Dehnungswerten an den FE-Knoten 302 aus Messungen für zumindest einen Belastungszustand zur Verfügung stehen und die Bauteilgeometrie im Finite-Elemente-Modell detailgetreu für den Ausgangszustand abgebildet wurde, kann mit der iterativen Ermittlung der lokalen Werkstoffparameter begonnen werden.After the database in the form of discrete strain values at the FE node 302 From measurements for at least one load condition and the component geometry in the finite element model has been reproduced in detail for the initial state, the iterative determination of the local material parameters can be started.

In einer ersten Berechnung kann mit einem beliebigen Werkstoff (homogen oder inhomogen) begonnen werden. Das Ergebnis selbst hängt nicht von dem Anfangszustand ab. Um eine schnelle Ermittlung der Werkstoffparameter zu ermöglichen, ist es jedoch vorteilhaft, mit geeigneten Startparametern zu beginnen. Für ein geschweißtes Bauteil können dies beispielsweise die Parameter des Grundwerkstoffes bezüglich des zugehörigen Hystereseastes sein. Das konkrete Werkstoffgesetz, das die zu bestimmenden Parameter enthält, wird beispielsweise vorgegeben und kann an den entsprechenden Anforderungen angepasst werden.In a first calculation, you can start with any material (homogeneous or inhomogeneous). The result itself does not depend on the initial state. However, in order to enable a quick determination of the material parameters, it is advantageous to start with suitable starting parameters. For a welded component, these may be, for example, the parameters of the base material with respect to the associated hysteresis branch. The concrete material law, which contains the parameters to be determined, is given for example and can be adapted to the corresponding requirements.

Bei den Berechnungen werden entsprechende Dehnungswerte kraftgesteuert ermittelt. Eine Vorgabe von Verschiebungsrandbedingungen ist weniger geeignet, da häufig keine eindeutige Lösung für den Werkstoff existiert. Bei der kraftgesteuerten Berechnung wird jeweils die Kraft F aufgebracht, die im Versuch benötigt wurde, um vom Ausgangszustand in den gerade untersuchten Belastungszustand zu gelangen. Da es sich um eine stetige Belastung handelt, können Belastungszustände aufeinander folgend berechnet werden, um so Rechenzeit zu sparen. Für jeden Belastungszustand, zu welchem ein Dehnungsfeld aus der Messung als Datenbasis bereitgestellt wurde, existiert als Folge der Berechnung eine rechnerische Lösung mit Spannungen σ und Dehnungen ε an den einzelnen FE-Knoten 302.In the calculations, corresponding strain values are determined by force. Defining shift boundary conditions is less suitable because there is often no clear solution for the material. The force-controlled calculation in each case the force F is applied, which was needed in the attempt to move from the initial state to the load state under study. Since it is a continuous load, load conditions can be calculated consecutively to save computation time. For each load state to which a strain field from the measurement was provided as a database, there exists as a result of the calculation a computational solution with stresses σ and strains ε at the individual FE nodes 302 ,

Als nächster Schritt erfolgt ein Soll-Ist-Vergleich, in welchem die gemessenen (zugewiesenen) Dehnungen mit den berechneten Dehnungen an den FE-Knoten 302 verglichen werden. Da anhand des Soll-Ist-Vergleichs die Korrektur des Werkstoffes 200 für die nächste Berechnung vorgenommen wird, wird sichergestellt, dass die Spannungs- und Dehnungswerte auf der Spannungsdehnungskurve des jeweiligen Werkstoffes liegen (bzw. auf dem damit verbundenen Hystereseast). Dies ist jedoch nur bei einachsiger Beanspruchung der Fall, wo vereinfacht mit den einachsigen Spannungs- und Dehnungswerten gearbeitet werden kann. Wenn dies nicht der Fall ist, sind Vergleichsspannungen und Vergleichsdehnungen zugrunde zu legen.The next step is a target-actual comparison, in which the measured (assigned) strains with the calculated strains at the FE nodes 302 be compared. Since based on the target-actual comparison, the correction of the material 200 for the next calculation, it is ensured that the stress and strain values lie on the stress-strain curve of the respective material (or on the associated hysteresis branch). However, this is the case only for uniaxial stress, where it is possible to work with the uniaxial stress and strain values in a simplified manner. If this is not the case, reference stresses and comparative strains should be used.

Da, wie bereits erwähnt, nur Oberflächendehnungen aus der Messung zur Verfügung stehen, zur Bestimmung der Vergleichsdehnung jedoch der vollständige Dehnungstensor benötigt wird, werden die fehlenden Komponenten unter Nutzung der Finite-Elemente-Berechnung ergänzt.Since, as already mentioned, only surface expansions from the measurement are available, but to determine the comparative strain, the complete strain tensor is required, the missing components are supplemented using the finite element calculation.

7 veranschaulicht die Korrektur des Werkstoffes 200. Bei der Korrektur wird der Sollwert 702 mit dem Istwert 701 verglichen und basierend darauf der beispielhafte Parameter K' angepasst. Zum Beispiel kann die Bestimmung des Parameters K' aus der Gleichung (1) über einen einzelnen Punkt auf der Spannungsdehnungskurve erfolgen (wenn E und n' konstant sind) oder durch eine Regression ermittelt werden. 7 illustrates the correction of the material 200 , The correction becomes the setpoint 702 with the actual value 701 and based on this, the exemplary parameter K 'is adjusted. For example, the determination of the parameter K 'from equation (1) may be done over a single point on the stress-strain curve (if E and n' are constant) or determined by a regression.

Im Detail kann diese Korrektur wie folgt erfolgen:
Wird beispielsweise anhand des Soll-Ist-Vergleichs eine Abweichung der Dehnungen festgestellt, erfolgt eine Korrektur des Werkstoffes, bei der die berechneten Werte 701 durch die gemessenen Werte 702 korrigiert werden. Diese Korrektur wird rechnerisch zunächst auf Knotenbasis durchgeführt, wobei die Korrektur unter Berücksichtigung des Gleichgewichts im Bauteilquerschnitt erfolgt. Dabei wird die Spannung am Knoten 302 gedanklich konstant gehalten, und zwar in der Form, dass der aus der Finite-Elemente-Berechnung ermittelte Beanspruchungspunkt 701 auf der Spannungsdehnungskurve bzw. auf dem Hystereseast horizontal auf den gemessenen Dehnungswert 702 verschoben wird (bei mehrachsiger Beanspruchung werden berechnete Vergleichsspannung und ermittelte Vergleichsdehnung (s. o.) verwendet). Bei Ausführungsbeispielen existieren für jeden Knoten 302 mehrere Punkte auf der Spannungsdehnungskurve, und zwar nach Anzahl der zugrunde gelegten Beanspruchungszustände. Über eine Regression (Methode der kleinsten Fehlerquadrate) können nun daraus die neuen Werkstoffparameter (z. B. K') knotenweise bestimmt werden. Die korrigierten Werkstoffparameter werden daran anschließend für den nächsten Iterationsschritt verwendet.
In detail, this correction can be done as follows:
If, for example, a deviation of the strains is determined on the basis of the target / actual comparison, the material is corrected, at which the calculated values 701 through the measured values 702 Getting corrected. This correction is carried out mathematically first on a node basis, the correction taking into account the equilibrium in the component cross-section. Thereby the tension becomes at the knot 302 kept constant mentally, in the form that the stress point determined from the finite element calculation 701 horizontally to the measured strain value on the stress-strain curve or on the hysteresis branch 702 is shifted (with multiaxial stress, calculated reference stress and determined comparative strain (see above) are used). In embodiments, exist for each node 302 several points on the stress-strain curve, according to the number of stress conditions used. Using a regression (method of least squares), the new material parameters (eg K ') can now be determined node by node. The corrected material parameters are subsequently used for the next iteration step.

Bei Verwendung von Vergleichsdehnungen (mehrachsige Beanspruchung) ist der Sollwert 702 kein reiner Messwert mehr. Mit jedem Iterationsschritt, in dem sich die Werkstoffzonen im Modell der Realität annähern, werden die ergänzenden Dehnungskomponenten (für die keine Messwerte vorliegen) korrigiert, so dass nach einigen wenigen Iterationsschritten lokale Werkstoffparameter sowie ein vollständiger Dehnungs- und Spannungstensor vorliegen.When using comparative strains (multi-axis loading) is the nominal value 702 no pure measured value anymore. With each iteration step in which the material zones in the model approximate reality, the supplementary strain components (for which no measured values are available) are corrected, so that after a few iteration steps local material parameters as well as a complete strain and stress tensor are present.

Die Partitionierung in Werkstoffzonen kann auf zwei Arten erfolgen: adaptiv oder mit einer festen Einteilung für alle Iterationen. Sie kann aber auch auf andere Weise erfolgen.Partitioning in material zones can be done in two ways: adaptive or with a fixed schedule for all iterations. But it can also be done in other ways.

8A veranschaulicht die adaptive Partitionierung des Messbereiches 230, bei der eine variable Unterteilung in Bereiche 801, 802, 803, ... möglich ist. Hierbei erfolgt eine horizontale und/oder eine vertikale Teilung des Messbereiches 230 oder einer bereits bestehenden Partition erfolgen. Diese Unterteilung kann beispielsweise dann erfolgen, wenn sich ein maximaler und ein minimaler Wert für einen maßgebenden Werkstoffparameter an den in den Bereiche 801, 802, ... liegenden Knoten um einen Betrag unterscheidet, der größer ist als ein vorgegebener Grenzwert (Schwellenwert). Für das Werkstoffgesetz nach Gleichung (1) kann beispielsweise eine weitere Partitionierung erfolgen, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: K'_max – K'_min > ΔK'_Vorgabe. 8A illustrates the adaptive partitioning of the measuring range 230 in which a variable subdivision into areas 801 . 802 . 803 , ... is possible. In this case, there is a horizontal and / or vertical division of the measuring range 230 or an existing partition. This subdivision can be done, for example, when a maximum and a minimum value for a relevant material parameter at the in the areas 801 . 802 , ... lying by an amount that is greater than a predetermined threshold (threshold). For the material law according to equation (1), for example, a further partitioning can take place if the following condition is met: K'_max - K'_min>ΔK'_prescription.

Der Grenzwert ΔK'_Vorgabe kann beliebig aber sinnvoll vorgegeben werden (kann beispielsweise zwischen 5 und 150 liegen oder ca. 75 oder auch 15 sein).The limit ΔK'_vorgabe can be arbitrarily but meaningfully specified (for example, between 5 and 150 are or about 75 or 15).

Als maßgebend kann beispielsweise die Streckgrenze/Fließgrenze festgelegt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, für alle Werkstoffparameter einen eigenen Grenzwert vorzugeben, so dass automatisch für die Partitionsänderung jener Parameter maßgebend wird, dessen Grenzwert überschritten wird. Die Partitionierung wird solange durchgeführt, bis für alle Partitionen – auch für die neu gebildeten – der Grenzwert eingehalten wird. Somit ergeben sich verschiedene Größen für die einzelnen Partitionsbereiche 801, 802, 803. Der Grenzwert sollte so vorgegeben werden, dass sich sinnvolle Partitionen ergeben können. Hier spielen beispielsweise Streuungen sowie Sensitivitäten des jeweiligen Werkstoffparameters eine Rolle. In gleicher Weise ist es auch möglich, die Partition adaptiv in eine oder beiden Richtungen zu vergrößern (z. B. wenn ein unterer Grenzwert für die Differenz unterschritten wird).For example, the yield strength / yield point can be specified as decisive. However, it is also possible to specify a separate limit value for all material parameters, so that the parameter whose limit value is exceeded is automatically decisive for the change in the partition. The partitioning is carried out until the limit value is adhered to for all partitions, including the newly formed one. This results in different sizes for the individual partition areas 801 . 802 . 803 , The limit should be set so that meaningful partitions can result. For example, scatters and sensitivities of the respective material parameter play a role here. In the same way, it is also possible to adaptively increase the partition in one or both directions (eg if a lower limit for the difference is undershot).

8B zeigt eine feste Einteilung 810, bei der im Gegensatz zur adaptiven Einteilung die Partitionierung nur einmalig vor Beginn des Iterationsprozesses vorgenommen wird. Beispielsweise kann die resultierende Bereichseinteilung ein reguläres Gitter darstellen. Das Gitter kann beispielsweise über den gesamten Messbereich sehr fein gewählt werden, um an jeder Stelle die Bildung lokaler Werkstoffzonen zu ermöglichen. Das hat eine sehr feine Vernetzung im gesamten Messbereich zur Folge. Das Gitter kann aber auch an die Geometrie des Bauteils angepasst werden. Eine feste Partitionierung hat den Vorteil, dass die Zuweisung der Messwerte zu den FE-Knoten nur einmal zu erfolgen hat, da Partitionen und damit auch das Finite-Elemente-Netz über alle Iterationen gleichbleibt. So lässt sich außerdem die Konvergenz der Lösung gut überprüfen. 8B shows a fixed division 810 in which, in contrast to the adaptive classification, the partitioning is performed only once before the start of the iteration process. For example, the resulting area division may represent a regular grid. For example, the grating can be chosen to be very fine over the entire measuring range in order to allow the formation of local material zones at every point. This results in a very fine network throughout the measuring range. However, the grid can also be adapted to the geometry of the component. A fixed partitioning has the advantage that the assignment of the measured values to the FE nodes has to be done only once, since partitions and thus also the finite element network remain the same over all iterations. This also makes it easy to check the convergence of the solution.

Bei beiden Methoden wird der Partitionswerkstoff durch Regression auf Basis der Beanspruchungspunkte aller innerhalb der Partition liegenden Knoten bestimmtIn both methods, the partition material is determined by regression based on the stress points of all nodes within the partition

9A zeigt diese Bestimmung für Beanspruchungspunkte aus verschiedenen Zuständen. Dabei werden beispielhaft drei Ist-Zustände (Ist-Zustand 1, Ist-Zustand 2 und Ist-Zustand 3) auf drei Soll-Zustände verglichen. Als Resultat wird der Werkstoff (oder die Werkstoffparameter) in dem Finite-Elemente-Modell geändert, so dass ein folgender Iterationsschritt zu einer Annäherung der Ist-Zustände an die Soll-Zustände führt. 9A shows this determination for stress points from different states. In this case, for example, three actual states (actual state 1, actual state 2 and actual state 3) to three target states compared. As a result, the material (or material parameters) in the finite element model is changed so that a subsequent iteration step results in an approximation of the actual states to the desired states.

9B zeigt Beanspruchungspunkte aus verschiedenen Zuständen (für verschiedene Dehnungen) und an einem Knoten 1 und einen Knoten 2 innerhalb einer Partition. Da innerhalb einer gegebenen Partition der Werkstoff als homogen angesehen wird, liegen die Beanspruchungspunkte auch zu den verschiedenen entlang der gezeigten Spannungsdehnungskurve. 9B shows stress points from different states (for different strains) and at a node 1 and a node 2 within a partition. Since within a given partition the material is considered to be homogeneous, the stress points also lie with the various ones along the stress-strain curve shown.

Um den Werkstoff möglichst lokal bestimmen zu können, sollten bei der adaptiven Partitionierung die Partitionen möglichst gleich lange Seiten (bezogen auf die betrachtete Oberfläche) aufweisen. Deshalb kann es sinnvoll sein, einen Messbereich, dessen Länge und Breite sich stark unterscheiden, vor dem Programmstart in annähernd gleichförmige Bereiche zu unterteilen. Wenn beispielsweise die Positionen der Werkstoffzonen vorab nicht bekannt sind – was häufig der Fall ist – besitzt eine adaptive Partitionierung gegenüber der festen Einteilung den Vorteil, dass große Bereiche eines homogenen Werkstoffs gröber vernetzt werden können, da mit einer großen Partition gearbeitet werden kann.In order to be able to determine the material as locally as possible, the adaptive partitioning should have the partitions of equal length (in relation to the considered surface). Therefore, it may be useful to divide a measuring range whose length and width differ greatly before the program start in approximately uniform areas. If, for example, the positions of the material zones are not known in advance - which is often the case - adaptive partitioning has the advantage that large areas of a homogenous material can be coarsely networked since a large partition can be used.

Im Anschluss an die Partitionierung kann eine Berechnung des Modells mit den neu erstellten Werkstoffzonen erfolgen und das Verfahren beginnt von vorne, durch eine Abfolge der Schritte:

  • (1) Zuweisung der Messwerte zu den FE-Knoten (nur bei adaptiver Partitionierung erneut notwendig; berücksichtigt werden nur Knoten innerhalb einer Partition)
  • (2) Soll-Ist-Vergleich
  • (3) Korrektur des Werkstoffs (zunächst knotenweise)
  • (4) Gegebenenfalls adaptive Partitionierung
  • (5) Bestimmung eines Partitionswerkstoffs auf Basis der ermittelten Beanspruchungspunkte
  • (6) Berechnung mit neu erstellten Werkstoffzonen
Following partitioning, the model can be calculated using the newly created material zones and the process starts from the beginning, by a sequence of steps:
  • (1) Assignment of the measured values to the FE nodes (only necessary with adaptive partitioning, only nodes within a partition are considered)
  • (2) target-actual comparison
  • (3) correction of the material (initially node by node)
  • (4) Optionally adaptive partitioning
  • (5) Determination of a partition material based on the determined stress points
  • (6) Calculation with newly created material zones

Diese Iterationsschleife wird solange wiederholt, bis die Abweichung von berechneter zu gemessener Dehnung für jeden Beanspruchungspunkt unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes liegt (Soll-Ist-Vergleich).This iteration loop is repeated until the deviation from calculated to measured strain for each stress point is below the specified limit value (target / actual comparison).

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden: Die Erfindung beschreibt ein werkstoffmechanisch basiertes iteratives Verfahren, das optisch gemessene lokale Dehnungen mit lokalen Spannungen aus einer Finite-Elemente-Simulation eines geometrisch detailgetreuen abgebildeten Bauteils verknüpft. In dem iterativen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können die folgenden Schritte ausgeführt werden:

  • 1) Messung der Dehnung im werkstoffinhomogenen Bereich der Probe (des Bauteils) mittels 3D-Bildkorrelation im Zustand minimaler und in zumindest einem Zustand maximaler Belastung der Probe (z. B. auf einem monoton steigenden Beanspruchungspfad). Dies kann beispielsweise über zumindest zwei Bilder erfolgen, die entsprechend ausgewertet werden, um die lokalen Dehnungszustände zu erfassen.
  • 2) Modellierung der Bauteilgeometrie entsprechend realer Probe im zugrunde gelegten Ausgangszustand.
  • 3) Berechnung der Spannungen und Dehnungen. Dieser Schritt kann beispielsweise von einem homogenen Werkstoff aus gestartet werden.
  • 4) Zuweisung der lokal gemessenen Dehnungen zu dem Knoten des Finite-Elemente-Modells.
  • 5) Soll-Ist-Vergleich der gemessenen und berechneten Dehnungen.
  • 6) Korrektur bzw. eine Bestimmung des Werkstoffs für jeden Knoten (und somit lokal) auf Basis des Soll-Ist-Vergleichs und unter Berücksichtigung des Gleichgewichts (konstant gehaltene Spannung), wozu konventionelle Optimierungsverfahren nicht erforderlich sind.
  • 7) Nutzung einer festen oder einer adaptiven Partitionierung, bei der der entsprechende Messbereich oder die Probe in Werkstoffzonen unterteilt werden.
  • 8) Berechnung der Spannungen und Dehnungen der Probe mit den neu bestimmten lokalen Werkstoffparametern.
  • 9) Wiederholung der Schritte 4) bis 8) solange bis die berechneten Dehnungen den gemessenen Dehnungen entsprechen oder eine entsprechende Abweichung minimal wird oder unterhalb eines Schwellenwertes liegt.
Embodiments of the present invention may be summarized as follows: The invention describes a material-mechanically based iterative method that combines optically measured local strains with local stresses from a finite element simulation of a geometrically detailed mapped component. In the iterative method according to the present invention, the following steps can be carried out:
  • 1) Measurement of the strain in the material-inhomogeneous region of the sample (of the component) by means of 3D image correlation in the state of minimum and in at least one state of maximum load of the sample (eg on a monotonically increasing stress path). This can be done for example via at least two images, which are evaluated accordingly to detect the local strain states.
  • 2) Modeling of the component geometry corresponding to the real sample in the initial state.
  • 3) Calculation of stresses and strains. This step can be started, for example, from a homogeneous material.
  • 4) Assignment of locally measured strains to the node of the finite element model.
  • 5) Target-actual comparison of the measured and calculated strains.
  • 6) Correction or a determination of the material for each node (and thus local) based on the target-actual comparison and taking into account the equilibrium (held constant voltage), which conventional optimization methods are not required.
  • 7) Use of a fixed or an adaptive partitioning, in which the corresponding measuring range or sample is divided into material zones.
  • 8) Calculation of the stresses and strains of the sample with the newly determined local material parameters.
  • 9) repetition of steps 4) to 8) until the calculated strains correspond to the measured strains or a corresponding deviation is minimal or below a threshold value.

Die Schritte 3) bis 9) können beispielsweise in Software implementiert sein und automatisch durchgeführt werden.Steps 3) to 9) may be implemented in software, for example, and performed automatically.

Die Reihenfolge, in der die Schritte in der Beschreibung genannt wurden, impliziert keine zeitliche Abfolge oder nur insoweit, wie es zwingend erforderlich ist. Schritte können auch als Unterschritte zu bereits genannten Schritten ausgeführt werden.The order in which the steps were mentioned in the description does not imply a chronological order or only insofar as it is absolutely necessary. Steps can also be performed as sub-steps to previously mentioned steps.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures may be essential for the realization of the invention either individually or in any combination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

200200
Bauteilcomponent
210210
erster Abschnitt des Bauteilsfirst section of the component
220220
zweiter Abschnitt des Bauteilssecond section of the component
230230
Verbindungsbereich (Messbereich)Connection area (measuring range)
301301
RastermesspunkteGrid measurement points
302302
Knoten des Finite-Elemente-Netzes (FE-Knoten)Node of the finite element network (FE node)
RR
Radius für Zuordnung der Messwerte zu den FE-KnotenRadius for assignment of the measured values to the FE nodes
601, 602, 603601, 602, 603
Hysteresekurvenhysteresis
611, 612, 613611, 612, 613
zugeordnete Hystereseästeassigned hysteresis branches
620620
Kurve für ErstbelastungCurve for initial load
630630
Kurve für eine HystereseCurve for a hysteresis
801, 802, 803801, 802, 803
adaptive Partitionierungadaptive partitioning
810810
feste Partitionierungfixed partitioning

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 200910052967 [0012, 0052] DE 200910052967 [0012, 0052]

Claims (15)

Verfahren zur Charakterisierung eines Spannungs-Dehnungsverhaltens eines Bauteils, das einen homogene oder inhomogenen Werkstoff oder mehrere Werkstoffe aufweist und in einem Anfangszustand durch ein Ausgangsmodell beschreibbar ist, mit folgenden Schritten: (a) Messen einer Dehnungsverteilung für einen Messbereich des Bauteils nach Aufbringen einer Kraft auf das Bauteil; (b) Berechnen einer Dehnungsverteilung für das Bauteil unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells basierend auf der ausgeübten Kraft und des Ausgangsmodells; (c) Vergleichen der berechneten Dehnungsverteilung mit der gemessenen Dehnungsverteilung; (d) Korrigieren des Ausgangsmodells basierend auf dem Vergleich (c); und (e) iteratives Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d) bis eine Abweichung zwischen der gemessenen Dehnungsverteilung und der berechneten Dehnungsverteilung unterhalb eines Schwellenwertes liegt.Method for characterizing a stress-strain behavior of a component which has a homogeneous or inhomogeneous material or multiple materials and is writable in an initial state by an initial model, comprising the following steps: (A) measuring a strain distribution for a measuring range of the component after applying a force to the component; (b) calculating a strain distribution for the component using a finite element model based on the applied force and the output model; (c) comparing the calculated strain distribution with the measured strain distribution; (d) correcting the initial model based on the comparison (c); and (e) iteratively repeating steps (b), (c) and (d) until a deviation between the measured strain distribution and the calculated strain distribution is below a threshold. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) den folgenden Schritt umfasst: (a1) optisches Erfassen einer Änderung eines auf das Bauteil ausgebildeten Musters, um basierend auf der Änderung lokale Dehnungen des Bauteils zu ermitteln.The method of claim 1, wherein step (a) comprises the step of: (a1) optically detecting a change of a pattern formed on the component to determine local expansions of the component based on the change. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Kraft eine Zugkraft (F) ist, die das Bauteils entlang einer Zugrichtung auseinanderzieht, und die Schritte (a)–(c) für eine Vielzahl von verschiedenen Zugkräften wiederholt ausgeführt werden, um verschiedene Punkte auf einer Spannungsdehnungskurve in zumindest einem Bereich des Bauteils zu erhalten.The method of claim 1 or claim 2, wherein the force is a tensile force (F) that pulls the component along a pulling direction, and steps (a) - (c) are repeatedly performed for a plurality of different tensile forces to form different points to obtain a stress-strain curve in at least one region of the component. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Dehnungsverteilung vom Werkstoff abhängt und das Werkstoffgesetz von zumindest einem lokalen Werkstoffparameter abhängt und die Vielzahl von verschiedenen Zugkräften mit einer Anzahl der lokalen Werkstoffparametern verknüpft ist, und wobei der Schritt (d) ein Ändern des zumindest einen lokalen Werkstoffparameters im Ausgangsmodell umfasst.The method of claim 3, wherein the strain distribution depends on the material and the material law depends on at least one local material parameter and the plurality of different tensile forces are associated with a number of the local material parameters, and wherein step (d) is changing the at least one local material parameter in the Starting model includes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt (b) weiter den folgenden Schritt umfasst: (b0) Einscannen einer Geometrie des Bauteils, um das Ausgangsmodel zu verbessern.Method according to one of the preceding claims, wherein the step (b) further comprises the following step: (b0) scanning a geometry of the component to improve the output model. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aufgebrachte Kraft so stark gewählt wird, dass das Werkstoff des Bauteils sich plastisch verformt.Method according to one of the preceding claims, wherein the applied force is chosen so strong that the material of the component deforms plastically. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt (c) Oberflächenkomponenten der gemessenen und berechneten Dehnungsverteilung verglichen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein in step (c) surface components of the measured and calculated strain distribution are compared. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter den folgenden Schritt umfasst: (f) Partitionieren zumindest eines Teiles des Bauteils in Bereiche, wobei der Schritt (b) weiter den folgenden Schritt umfasst: (b2) Zuweisen von korrigierten Spannungsdehnungskurven auf Basis der gemessenen Dehnungsverteilung eines Dehnungswertes zu jedem Bereich, um das Anfangsmodell zu verbessern.Method according to one of the preceding claims, further comprising the following step: (f) partitioning at least a portion of the component into areas, wherein step (b) further comprises the step of: (b2) assigning corrected stress-strain curves based on the measured strain distribution of a strain value to each region to improve the initial model. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt (f) ein adaptives Partitionieren umfasst, in welchem zumindest ein Bereich weiter unterteilt wird, wenn innerhalb des zumindest einen Bereiches eine Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert eines Werkstoffparameters größer als ein vorgegebener Grenzwert ist.The method of claim 8, wherein step (f) comprises adaptive partitioning in which at least one region is further subdivided if within the at least one region a difference between a maximum and a minimum value of a material parameter is greater than a predetermined limit. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Finite-Elemente-Modell auf Knoten basiert und der Schritt (a) ein Messens an Messpunkten umfasst, wobei ein Abstand zwischen den Messpunkten kleiner gewählt wird als ein Abstand zwischen benachbarten Knoten, und der Schritt (c) ein Vergleichen des berechneten Dehnungswertes mit einer Kombination von mehrere gemessenen Dehnungswerten umfasst.The method of claim 8 or claim 9, wherein the finite element model is node based, and step (a) comprises measuring at measurement points, wherein a distance between the measurement points is selected to be smaller than a distance between adjacent nodes, and the step (8) c) comprises comparing the calculated strain value with a combination of a plurality of measured strain values. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in jeder Iterationsschleife die adaptive Partitionierung ein Ändern der Anzahl von zugewiesenen Messwerten zu einem jeweiligen Finite-Elemente-Knoten umfasst.The method of claim 10, wherein in each iteration loop, the adaptive partitioning comprises changing the number of assigned measurements to a respective finite element node. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, wobei das Werkstoffgesetz eine Hysteresekurve bei zyklischen Dehnungen beschreibt und eine Anzahl von gemessenen oder berechneten Dehnungsverteilungen für die verschiedenen ausgeübten Kräfte so gewählt wird, dass mehrere Stützstellen für einen Hystereseast berechnet oder gemessen werden.Method according to one of claims 8 to 11, when dependent on claim 3, wherein the material law describes a hysteresis curve at cyclic strains and a number of measured or calculated strain distributions for the various applied forces is chosen so that several nodes are calculated or measured for a hysteresis. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil mehrachsige Spannungszustände aufweist und das Verfahren weiter den Schritt umfasst: Erfassen von Vergleichsdehnungen, die für mehrachsige Spannungszustände sensitiv sind.Method according to one of the preceding claims, wherein the component multiaxial stress states and the method further comprises the step: Capture of comparative strains that are sensitive to multiaxial stress states. Computerprogrammprodukt mit darauf gespeichertem Software-Code, der ausgebildet ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen, wenn der Software-Code durch eine Verarbeitungseinheit ausgeführt wird.A computer program product having software code stored thereon and configured to perform the method of any one of claims 1 to 13 when the software code is executed by a processing unit. Vorrichtung zur Charakterisierung eines Spannungs-Dehnungsverhaltens eines Bauteils, das einen inhomogenen Werkstoff oder mehrere Werkstoffe aufweist und in einem Anfangszustand durch ein Ausgangsmodell beschreibbar ist, mit folgenden Merkmalen: eine Einrichtung zum Messen einer Dehnungsverteilung für einen Messbereich des Bauteils nach Aufbringen zumindest einer Kraftkomponente auf das Bauteil; eine Verarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, um folgende Schritte iterativ auszuführen: (b) Berechnen einer Dehnungsverteilung für das Bauteil unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells basierend auf der ausgeübten Kraft und dem Ausgangsmodell; (c) Vergleichen der berechneten Dehnungsverteilung mit der gemessenen Dehnungsverteilung; (d) Korrigieren des Ausgangsmodells basierend auf dem Vergleich (c); und (e) iteratives Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d) bis eine Abweichung zwischen der gemessenen Dehnungsverteilung und der berechneten Dehnungsverteilung unterhalb eines Schwellenwertes liegt.Device for characterizing a stress-strain behavior of a component which comprises an inhomogeneous material or multiple materials and is describable in an initial state by an initial model, having the following features: a device for measuring a strain distribution for a measuring range of the component after applying at least one force component to the component; a processing unit configured to iteratively execute the following steps: (b) calculating a strain distribution for the component using a finite element model based on the applied force and the initial model; (c) comparing the calculated strain distribution with the measured strain distribution; (d) correcting the initial model based on the comparison (c); and (e) iteratively repeating steps (b), (c) and (d) until a deviation between the measured strain distribution and the calculated strain distribution is below a threshold.
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