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Scale-Bridging of Elasto-Plastic Microstructures using Statistically Similar Representative Volume Elements

Scheunemann, Lisa

The present work deals with the numerical modeling of the mechanical behavior of microheterogeneous materials, with a focus on dual-phase steel. The macroscopic behavior of this material is largely influenced by an interaction of the microstructural constituents. The influence of the morphology of a real microstructure can be included in the material modeling by the application of a suitable representative volume element (RVE) in a direct micro-macro homogenization scheme (also known as FE²-method). However, the use of sections of a real microstructure as an RVE can lead to huge computational costs. A cost reduction can be achieved by the application of statistically similar RVEs (SSRVEs). They are governed by similarities of selected statistical measures with respect to a real microstructure and show a comparable mechanical behavior. The different aspects in the construction method are a main focus of this work. It is shown that SSRVEs can resemble the mechanical behavior of a real DP steel microstructure appropriately, which permits their use in FE²-simulations instead of real microstructures. Aiming for a description of polycrystalline materials governed by texture, the simulation of macroscopic properties based on polycrystalline RVEs is shown.

Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Modellierung des mechanischen Verhaltens mikroheterogener Materialien, wobei das Hauptaugenmerk auf Dualphasenstähle gelegt wird. Ihr makroskopisches Verhalten wird durch die Interaktion der Einzelphasen auf mikrostruktureller Ebene geprägt. Der Einfluss der Morphologie einer realistischen Mikrostruktur kann durch die Verwendung von repräsentativen Volumenelementen (RVEs) unter Anwendung der FE²-Methode direkt in die Materialmodellierung einbezogen werden. Dabei entsteht für RVEs, die als Ausschnitte einer realen Mikrostruktur konstruiert werden, ein enormer Rechenaufwand. Eine Reduzierung des Aufwands ist durch die Verwendung von statistisch ähnlichen RVEs (SSRVEs) möglich. Diese sind durch Ähnlichkeit in Bezug auf bestimmte statistische Maße definiert und liefern gleichzeitig Gleichartigkeit des mechanischen Verhaltens. Die verschiedenen Aspekte der Konstruktion von SSRVEs sind ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Es wird gezeigt, dass SSRVEs die mechanischen Eigenschaften der realen Mikrostruktur widerspiegeln und damit ihre Verwendung im Rahmen der FE² -Methode ermöglicht wird. Die Simulation makroskopischer Eigenschaften basierend auf polykristallinen RVEs wird gezeigt. Diese ermöglichen die Beschreibung polykristalliner Materialien, welche von ihrer mikrostrukturellen Textur geprägt werden.

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Scheunemann, Lisa: Scale-Bridging of Elasto-Plastic Microstructures using Statistically Similar Representative Volume Elements. 2017.

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