Non-negligible coupled thermal and mechanical effects occur in several physical and industrial procedures, e.g. warm for ming processes. The authors present the theoretical background of a phenomenological thermoelastoplastic material model at large strains as well as its numerical realization within the context of appropriate finite element formulations. As usual, the presented thermodynamical consistent constitutive approach is based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient, and a corresponding additive decomposition of the free Helmholtz energy density. For the numerical treatment of thermoelastoplastic problems within a finite element approach, weak formulations of the balance equation of momentum and the heat conduction equation in material description are developed. For the solution of non-linear boundary value problems the linearization of the weak formulations is presented. Within the context of the mechanical problem the temperature dependence of material parameters as well as the thermal expansion are considered. The temperature evolution will be affected by non-thermal phenomena like the thermoelastic effect and plastic dissipation. Several numerical procedures for the solution of the coupled thermomechanical problem are discussed.

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen sind nicht mehr allein durch die Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens zu erfüllen. Die Simulation des thermischen Verhaltens kann bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung entscheidende Hinweise zur Gestaltung des Maschinenentwurfes geben. Die Arbeit beschreibt die Methodik und Umsetzung eines Simulationswerkzeuges aufbauend auf Programmen der Finite-Elemente-Analyse. Neben der Modellierung von Antriebs- und Gestellkomponenten wird auf deren Kopplung eingegangen. Thermische Lasten durch Hauptantrieb, Nebenantrieb und Zerspanungsprozess werden dargestellt. Mit der Berücksichtigung konvektiver Randbedingungen als funktionaler Zusammenhang wird die Genauigkeit der Simulation gesteigert. Möglichkeiten zur Abbildung von Aufstellbedingungen und Temperaturschwankungen der Umgebung werden aufgezeigt. Hinweise zur Einbindung von thermischen Kompensationsmaßnahmen runden das Konzept ab. Anhand eines Demonstrators werden der theoretische und praktische Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht. / Simulation of the thermal behavior of cutting machine tools during the conceptual stage Greater demands in the accuracy of machine tools can no longer be achieved by improved static and dynamic functions alone. The simulation of thermal behavior can provide essential information for the machine’s design concept at the earliest stages of product development. This thesis describes methodology and implementation of a simulation tool, based on software utilizing finite element analysis. In addition to the modeling of drives and base components, the work focuses on coupling different sub-components. Heat sources of the main drive, feed drives and cutting process are described. Greater accuracy is obtained by the implementation of convection as a functional process in the simulation. Methods of implementing working area conditions and temperature deviations in the environment are illustrated. Finally, steps for incorporation of a thermal compensation mechanism are included to complete the concept. The workflow applied to a demonstration structure validates the theoretical background and demonstrates the functionality of the thesis. / Моделирование температурных характеристик металлорежущих станков на этапе разработки В настоящее время растущие требования к точности металлорежущих станков обеспечиваются не только улучшением их статических и динамических параметров. Моделирование температурных характеристик на ранних стадиях проектирования может задать определяющее направление для всего процесса разработки и производства металлорежущего станка. Данная работа описывает методику и реализацию средств симуляции, основанных на программе анализа конечных элементов. Кроме моделирования звеньев привода и неподвижных звеньев станка на них также наложены связи. Показаны температурные воздействия от главного и вспомогательного приводов, а также непосредственно от самого процесса резания. Введение учета конвекционных граничных условий как функциональной связи улучшает точность моделирования. Представлены способы для отображения начальных условий и температурных изменений среды. Концепцию завершают указания для учета термокомпенсаций. Изложены доказательства теоретической и практической применимости.

This paper presents the theoretical background of a phenomenological biphasic material approach at large strains based on the theory of porous media as well as its numerical realization within the context of an adaptive mixed finite element formulation. The study is aimed at the simulation of coupled multiphysics problems with special focus on biomechanics. As the materials of interest can be considered as a mixture of two immiscible components (solid and fluid phases), they can be modeled as saturated porous media. For the numerical treatment of according problems within a finite element approach, weak formulations of the balance equations of momentum and volume of the mixture are developed. Within this context, a generalized Lagrangean approach is preferred assuming the initial configuration of the solid phase as reference configuration of the mixture. The transient problem results in weak formulations with respect to the displacement and pore pressure fields as well as their time derivatives. Therefore special linearization techniques are applied, and after spatial discretization a global system for the incremental solution of the initial boundary value problem within the framework of a stable mixed U/p-c finite element approach is defined. The global system is solved using an iterative solver with hierarchical preconditioning. Adaptive mesh evolution is controlled by a residual a posteriori error estimator. The accuracy and the efficiency of the numerical algorithms are demonstrated on a typical example.

Ein Großteil der Rechenzeit von FEM-Simulationen des Drückwalzens wird für die Berechnung der Anlaufphase, bis zum Erreichen des quasistationären Zu-standes, benötigt. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Berechnungsmodell namens „ModIni“ (Modified Initial Values) zur Bestimmung der geometrischen Kennwerte des quasistationären Zustandes entwickelt. Hierfür wurden Praxisversuche mit dem Werkstoff 42CrMo4 durchgeführt, um die charakteristischen Kennwerte der Geometrie der Umformzone des quasi-stationären Zustandes zu ermitteln. Gleichzeitig wurde so eine Datenbasis für die Entwicklung des Berechnungsmodells und die spätere simulative Verifizie-rung geschaffen. Zusätzlich zu den in diesem Projekt erzielten Versuchser-gebnissen konnte auf Daten aus einem vorangegangenen Projekt der Profes-sur des SPP1074 „Erweiterung der Formgebungsgrenzen von Umformprozes-sen“ für den Werkstoff 100Cr6 zurückgegriffen werden. Das Modell selbst besteht aus allgemeinen Geometriegleichungen mit werk-stoffspezifischen Faktoren, die aus Praxisversuchen ermittelt werden müssen. Die Modellgleichungen der beiden untersuchten Werkstoffe wurden in ein pa-rametergesteuertes Pro/E - Modell implementiert, so dass die Aufbereitung der Werkstückgeometrie für die Simulation unkompliziert realisiert werden kann. Durch die Verwendung dieser Geometrie als modifiziertem Anfangswert in der Simulation kann die Rechenzeit für die Anlaufphase deutlich verkürzt werden. Es konnte sowohl mit dem Simulationsprogramm simufact.formingSFM als auch mit FORGE eine Reduzierung der Rechenzeit, bis zum tatsächlichen quasistationären Zustand, nachgewiesen werden.

Arbeitsbericht zum Projekt Integrierte Simulation des Systems "Werkzeugmaschine - Antriebe - Zerspanprozess" auf der Grundlage ordnungsreduzierter FEM-Strukturmodelle. Inhalt: Modellreduktion für lineare Systeme, Balanciertes Abschneiden, Singuläre Systeme 2. Ordnung, Offene Fragen und weiteres Vorgehen.

Ziel dieser Arbeit ist die Simulation der Deformation von Bauteilen, welche aus nahezu inkompressiblem Material bestehen. Dabei soll sich das Material sowohl linear als auch nichtlinear elastisch verhalten können. Zusätzlich soll die Belastung des Bauteils beliebig gewählt werden können, das heißt, es sollen kleine als auch große Deformationen möglich sein.

Universiẗat, Diss. von Tino Fuhrmann--Paderborn, 2006.

Thesis--Technische Universität Hamburg. / Includes bibliographical references.

Zugl.: München, Techn. Universiẗat, Diss., 2009.

Zugl.: Magdeburg, Universiẗat, Diss., 2009.