DE102020203312A1 - Method and device for simulating the component behavior of a component with a heterogeneous microstructure - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer mechanischen Simulation eines Bauteils mit heterogener Mikrostruktur, wobei für jeden Integrationspunkt (x) des Bauteils folgende Schritte ausgeführt werden:- Bereitstellen (S1) von Netzwerkparametern((zNj=1,2,…,2N)A¯,(θi=0,1,…,Nk=1,2,…2i)A¯)eines Deep Material Networks (1) abhängig von einer Mikrostruktur des betreffenden Integrationspunkts (x), wobei die Netzwerkparameter((zNj=1,2,…,2N)A¯,(θi=0,1,…,Nk=1,2,…2i)A¯)mithilfe eines trainierten datenbasierten Netzwerkparametermodell abhängig von Mikrostrukturkonfigurationsparametern (A(x)) bestimmt werden, wobei die Mikrostrukturkonfigurationsparameter (A(x)) die Mikrostruktur des betreffenden Integrationspunkts (x) angeben,- Verwenden (S4) des Deep Material Networks (1), um eine Spannung und eine konsistente Tangente für jeden Integrationspunkt (x) zu bestimmen;- Durchführen (S5, S6) der mechanischen Simulation basierend auf den Spannungen und konsistenten Tangenten an den Integrationspunkten (x).The invention relates to a method for performing a mechanical simulation of a component with a heterogeneous microstructure, the following steps being carried out for each integration point (x) of the component: Provision (S1) of network parameters ((zNj = 1,2,..., 2N) A ¯, (θi = 0.1,…, Nk = 1.2,… 2i) A¯) of a deep material network (1) depending on a microstructure of the relevant integration point (x), where the network parameters ((zNj = 1, 2,…, 2N) A¯, (θi = 0.1,…, Nk = 1.2,… 2i) A¯) are determined with the help of a trained data-based network parameter model depending on microstructure configuration parameters (A (x)), whereby the microstructure configuration parameters (A (x)) specify the microstructure of the integration point (x) in question, - Use (S4) the Deep Material Network (1) to determine a stress and a consistent tangent for each integration point (x); - Perform (S5, S6) the mechanical simulation based on the stresses and consistent tangents to the integra tion points (x).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens von Bauteilen mit heterogenen Mikrostrukturen basierend auf direkten numerischen Mehrskalensimulationen im Kontext der Finite Element Methode (FEM).The invention relates to a method for predicting the mechanical behavior of components with heterogeneous microstructures based on direct numerical multi-scale simulations in the context of the finite element method (FEM).
Technischer HintergrundTechnical background
Während des Designs eines Bauteils mit heterogener Mikrostruktur wird das Bauteil in seiner Form so gestaltet, dass es vorgegebene Anforderungen an seine Funktion erfüllt, z. B. eine ausreichende Widerstandsfähigkeit bei einer thermomechanischen Belastung in einer spezifischen Anwendung über eine angestrebte Lebensdauer aufweist.During the design of a component with a heterogeneous microstructure, the shape of the component is designed in such a way that it fulfills specified requirements for its function, e.g. B. has sufficient resistance to a thermomechanical load in a specific application over a desired service life.
Für die Simulation des mechanischen Verhaltens eines Bauteils mit heterogener Mikrostruktur werden in der Regel FEM-Verfahren auf Bauteilebene gekoppelt mit mikromechanischen Simulationen verwendet. Letztere basieren in der Regel auf der sogenannten Lippmann-Schwinger-Gleichung und werden mit Hilfe paralleler Fast-Fourier-Transformationstechniken (FFT) gelöst, wie beispielsweise in der Druckschrift Spahn et al., „A multiscale approach for modeling progressive damage of composite materials using fast Fourier transforms“, 2014, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 268 angegeben ist. Sowohl für die makroskopische Bauteilsimulation als auch für die mikromechanische Mikrostruktursimulation stehen kommerzielle Software-Pakete zur Verfügung, z.B. Ansys, Abaqus, LS-Dyna, GeoDict.To simulate the mechanical behavior of a component with a heterogeneous microstructure, FEM processes coupled with micromechanical simulations are generally used at the component level. The latter are usually based on the so-called Lippmann-Schwinger equation and are solved with the help of parallel Fast Fourier Transformation techniques (FFT), as for example in the publication Spahn et al., “A multiscale approach for modeling progressive damage of composite materials using fast Fourier transforms ”, 2014, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 268. Commercial software packages are available for both macroscopic component simulation and micromechanical microstructure simulation, e.g. Ansys, Abaqus, LS-Dyna, GeoDict.
Voll gekoppelte FEM-FFT Simulationen sind mit erheblichem numerischem Aufwand verbunden, weshalb eine Entkopplung verfolgt wird. In diesen Ansätzen werden durch zahlreiche mikromechanische Simulationen Daten generiert und in einer Datenbank gespeichert, die dann in Hinblick auf die Bauteilsimulation gezielt ausgewertet werden, z.B.
In diesem Zusammenhang werden als Alternative hierzu sogenannte Deep-Learning-Ansätze verfolgt, die die oben beschriebenen Daten mit Hilfe von neuronalen Netzen darstellen. So werden bereits für einfaches Mikrostrukturverhalten, das nicht von der Belastungsgeschichte abhängt, neuronale Netze verwendet, siehe z.B.
Ferner ist aus Liu, W. et al., „A deep material network for multiscale topology learning and accelerated nonlinear modeling of heterogeneous materials“, ", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 345, 2019 ein neuer Machine-Learning-Ansatz bekannt, der die Verwendung von Deep Material Networks (DMN) etabliert. Dieser kann über eine Kombination aus Konzepten des maschinellen Lernens und der traditionellen Modellierung via Konstitutivgesetzen auch geschichtsabhängiges Verhalten abbilden, ist jedoch bislang nur sequentiell für einzelne Mikrostrukturen anwendbar und nicht für die Simulation von Bauteilen mit über das Bauteil heterogen verteilter Mikrostrukturen geeignet.Furthermore, from Liu, W. et al., "A deep material network for multiscale topology learning and accelerated nonlinear modeling of heterogeneous materials", "Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 345, 2019 a new machine learning approach is known, which establishes the use of Deep Material Networks (DMN). This can also map history-dependent behavior via a combination of concepts of machine learning and traditional modeling via constitutive laws, but so far it can only be used sequentially for individual microstructures and not for the simulation of components with Suitable for heterogeneously distributed microstructures across the component.
Bislang existiert kein Ansatz, der es ermöglicht das Verhalten von Bauteilen mit heterogener und geschichtsabhängiger Mikrostruktur effizient zu simulieren. So far there is no approach that enables the behavior of components with heterogeneous and history-dependent microstructure to be efficiently simulated.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Durchführung einer mechanischen Simulation eines Bauteils mit heterogener Mikrostruktur gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Trainieren eines Netzwerkparametermodells sowie eine Vorrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for performing a mechanical simulation of a component with a heterogeneous microstructure according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are given in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Durchführung einer mechanischen Simulation eines Bauteils mit heterogener Mikrostruktur vorgesehen, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- - Bereitstellen von Netzwerkparametern eines Deep Material Networks abhängig von einer Mikrostruktur an jedem Integrationspunkt, wobei die Netzwerkparameter mithilfe eines trainierten datenbasierten Netzwerkparametermodells abhängig von Mikrostrukturkonfigurationsparametern bestimmt werden, wobei die Mikrostrukturkonfigurationsparameter die Mikrostruktur am betreffenden Integrationspunkt angeben, wobei das Netzwerkparametermodell trainiert ist, um Mikrostrukturkonfigurationsparametern Netzwerkparameter des Deep Material Networks zuzuordnen;
- - Verwenden des Deep Material Networks, um eine Spannung und eine konsistente Tangente für jeden Integrationspunkt zu bestimmen, wobei insbesondere abhängig von den Spannungen und konsistenten Tangenten iterativ, insbesondere mithilfe einer FEM, an den Integrationspunkten ein globales, in der Regel nichtlineares Residuum für das Verschiebungsfeld berechnet wird;
- - Durchführen der mechanischen Simulation basierend auf den Spannungen und konsistenten Tangenten an den Integrationspunkten.
- - Provision of network parameters of a deep material network depending on a microstructure at each integration point, the network parameters being determined with the aid of a trained data-based network parameter model depending on microstructure configuration parameters, the microstructure configuration parameters specifying the microstructure at the integration point in question, the network parameter model being trained to use microstructure configuration parameters of the Assign deep material networks;
- - Using the Deep Material Network to determine a stress and a consistent tangent for each integration point, depending in particular on the Stresses and consistent tangents iteratively, in particular with the help of an FEM, a global, usually non-linear residual for the displacement field is calculated at the integration points;
- - Perform the mechanical simulation based on the stresses and consistent tangents at the integration points.
Initialisierung der Zustandsvariablen (i.e. der internen Variablen zur Beschreibung des nichtlinearen Verhaltens der virtuellen Phasen wie z.B. plastische Dehnungen) im DMN, die das geschichtsabhängige Verhalten beschreiben. Zur Berechnung des Verschiebungsfeldes im Bauteils mit Hilfe der FEM wird gemäß dem Verfahren das Materialgesetz, das die lokale Spannung des Materials aus der lokalen Dehnung (und deren Geschichte) bestimmt, mit Hilfe des DMNs bestimmt.Initialization of the state variables (i.e. the internal variables for describing the non-linear behavior of the virtual phases such as plastic strains) in the DMN, which describe the history-dependent behavior. To calculate the displacement field in the component with the help of the FEM, the material law, which determines the local stress of the material from the local strain (and its history), is determined with the help of the DMN.
Grundsätzlich ist ein makroskopisches Bauteil in einem dreidimensionalen Raum als die Menge der Punkte
Eine typische makroskopische Simulation basiert auf der Annahme einer funktionellen Abhängigkeit der Spannung von Dehnung
Wenn die Formulierung eines einskaligen konstitutiven Modells z.B. aufgrund komplexer Mikrostruktur nicht möglich ist, muss die Berechnung der Spannungen im Bauteil unter expliziter Berücksichtigung des Verhaltens dieser Mikrostruktur erfolgen. Der grundsätzliche Ansatz ist dabei, an jeder Stelle des Bauteils
Weiterentwicklungen basieren auf einer von der Bauteilsimulation entkoppelten Durchführung vieler mikromechanischer Simulationen zur Generierung vieler Antwortdaten, die im Anschluss mit Hilfe von Modellordnungsreduktionsverfahren wie der PCA nachbearbeitet werden, um effektive Modelle abzuleiten, die dann in einer entkoppelten Bauteilsimulation zum Einsatz kommen.Further developments are based on a number of micromechanical simulations that are decoupled from the component simulation to generate a lot of response data, which are then post-processed with the help of model order reduction methods such as PCA in order to derive effective models that are then used in a decoupled component simulation.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstelle des Formulierens eines physikalisch basierten konstitutiven Modells
Der Aufbau und die Funktionsweise DMNs sind in Liu et al. [2018] beschrieben. Generell beschreibt ein DMN das nichtlineare mechanische Verhalten einer bestimmten Mikrostruktur, die durch die Mikrostrukturkonfigurationsparameter
- - Generierung synthetischer Mikrostrukturen unter Vorgabe von Mikrostrukturkonfigurationsparametern
A (x ): Mit Hilfe geeigneter Softwaretools (z.B. Schneider,M., „The sequential addition and migration method to generate representative volume elements for the homogenization of short fiber reinforced plastics.“, Computational Mechanics, 59, 247-263 2017 - - Generierung Trainingsdaten: Basierend auf der synthetischen Mikrostruktur werden zahlreiche elastische, zeitunabhängige Simulationen durchgeführt, wobei die Steifigkeiten der Phasen und damit auch die elastischen Kontraste (d.h. die Verhältnisse der elastischen Eigenschaften der Phasen) variiert werden. Input sind die (anisotropen) elastischen Steifigkeiten der Phasen und das Ergebnis ist die elastische, richtungsabhängige Steifigkeit des Verbundwerkstoffs an jedem Integrationspunkt.
- - Offline: Training des Deep Material Networks: Die numerisch erzeugten Trainingsdaten werden verwendet, um die DMN-Netzwerkparameter zu trainieren, die sich für ein DMN mit N Schichten aus
- - Online: Vorhersage zeitabhängiges Verhalten der Mikrostruktur: Das elastisch antrainierte DMN kann in einem weiteren Schritt nun erweitert werden um das nichtlineare, zeitabhängige Verhalten des Verbundwerkstoffes vorherzusagen. Hierzu werden die einzelnen Phasen in der untersten Schicht des DMNs als inelastische Phasen interpretiert und ihr (von der Belastungsgeschichte abhängiger) Zustand entsprechend mit internen Variablen versehen, die die zeitliche Entwicklung einer bestimmten Größe beschreiben (z.B. plastische Dehnungen, Schädigung, ...) und deren zeitliche Entwicklung durch eine gewöhnliche Differentialgleichung modelliert wird.
- - Generation of synthetic microstructures by specifying microstructure configuration parameters
A. (x ): With the help of suitable software tools (e.g. Schneider,M., "The sequential addition and migration method to generate representative volume elements for the homogenization of short fiber reinforced plastics.", Computational Mechanics, 59, 247-263 2017 - - Generation of training data: Based on the synthetic microstructure, numerous elastic, time-independent simulations are carried out, whereby the stiffness of the phases and thus also the elastic contrasts (ie the proportions of the elastic properties of the phases) are varied. The input is the (anisotropic) elastic stiffness of the phases and the result is the elastic, direction-dependent stiffness of the composite material at each integration point.
- - Offline: Training of the Deep Material Network: The numerically generated training data is used to train the DMN network parameters that are specific to a DMN with N layers
- - Online: Prediction of time-dependent behavior of the microstructure: The elastically trained DMN can now be expanded in a further step to predict the non-linear, time-dependent behavior of the composite material. For this purpose, the individual phases in the lowest layer of the DMN are interpreted as inelastic phases and their state (depending on the load history) is provided with internal variables that describe the development of a certain variable over time (e.g. plastic strain, damage, ...) and whose development over time is modeled by an ordinary differential equation.
Wie oben beschrieben hängen die Parameter
- - Zunächst werden die internen Variablen der inelastischen Phasen (das sind die internen Variablen zur Beschreibung des nichtlinearen Verhaltens der virtuellen Phasen wie z.B. plastische Dehnungen) aller DMNs initialisiert.
- - Wird nun eine makroskopische Belastung/Randbedingung auf dem Bauteil inkrementell (inkrementell, da bei nichtlinearen Problemen die Lösung vom Belastungspfad abhängig ist und stückweise - also inkrementell - aufgebracht werden muss) aufgebracht, wird in jedem Zeitschritt im Sinne des iterativen Verfahrens und/oder zur Berücksichtigung der Belastungshistorie folgende Schritte ausgeführt:
- ◯ Im Kontext der FEM wird in jedem Zeitschritt das Verschiebungsfeld gelöst, das die obige Gleichgewichtsbedingung erfüllt.
- ◯ Um dies zu erreichen, muss das DMN, unter Berücksichtigung der lokalen Mikrostruktur, ausgewertet werden um die Spannungen und die konsistente Tangente zu liefern. Hierzu wird die makroskopische Dehnung
ε (x I, t) entsprechend der trainierten DMN-Parameter auf die einzelnen Phasen in der untersten Schicht des DMNs verteilt. - ◯ Je nach Beanspruchung (Belastung) der einzelnen Phasen wird ein Update der internen Variablen durchgeführt. Danach können dann die Spannungen und die konsistenten Tangenten der einzelnen Phasen berechnet werden.
- ◯ Die gesamte makroskopische Spannung und konsistente Tangente wird über die Phasen entsprechend der Gewichte aufsummiert.
- - First, the internal variables of the inelastic phases (these are the internal variables for describing the non-linear behavior of the virtual phases such as plastic strains) of all DMNs are initialized.
- - If a macroscopic load / boundary condition is now applied to the component incrementally (incrementally, since the solution is dependent on the load path in the case of non-linear problems and has to be applied piece by piece - i.e. incrementally), in every time step in the sense of the iterative method and / or for Taking into account the load history, the following steps are carried out:
- ◯ In the context of the FEM, the displacement field that fulfills the above equilibrium condition is solved in each time step.
- ◯ To achieve this, the DMN must be evaluated, taking into account the local microstructure, in order to provide the stresses and the consistent tangent. For this purpose, the macroscopic elongation
ε (x I , t) distributed to the individual phases in the lowest layer of the DMN according to the trained DMN parameters. - ◯ An update of the internal variables is carried out depending on the use (load) of the individual phases. Then the stresses and the consistent tangents of the individual phases can be calculated.
- ◯ The total macroscopic stress and consistent tangent is added up over the phases according to the weights.
Da unterschiedliche Mikrostrukturkonfigurationsparameter
Diese Erfindung besteht nun darin, die DMNs nicht für jedes unterschiedliche
Für das Training werden folgende Schritte durchgeführt:
- ◯ Zunächst wird der betrachtete Mikrostrukturparameterraum (also z.B. der Raum aller Mikrostrukturparameter, die faserverstärkte Kunststoffe beschreiben) mit einer finiten Anzahl
A α diskretisiert, die den Raum ausreichend abdecken. - ◯ Für jeden dieser Mikrostrukturparameter
A α wird nun eine repräsentative Mikrostruktur erzeugt und mit Hilfe von FFT-Rechnungen mit verschiedenen Steifigkeitskontrasten je ein DMN trainiert, für das die Netzwerkparameter dann - ◯ Die Ergebnisse der Berechnungen werden nun zusammengefasst als Datensatz
A α einen DMN-Parametersatz - ◯ Dieser Datensatz wird verwendet, um einen geeigneten Regressionsalgorithmus zu trainieren - z.B. ein neuronales Netz.
- ◯ First of all, the microstructure parameter space considered (e.g. the space of all microstructure parameters that describe fiber-reinforced plastics) is given a finite number
A. α discretized that sufficiently cover the space. - ◯ For each of these microstructure parameters
A. α a representative microstructure is now generated and, with the help of FFT calculations with different stiffness contrasts, a DMN is trained for each of the network parameters - ◯ The results of the calculations are now summarized as a data set
A. α a DMN parameter set - ◯ This data set is used to train a suitable regression algorithm - e.g. a neural network.
Der trainierte Regressionsalgorithmus ermöglicht nun auch für neue
Nach Erzeugung der DMNs der zugrundeliegenden Mikrostrukturen über den Regressionsalgorithmus ist das Vorgehen wie bei den klassischen DMNs.After generating the DMNs of the underlying microstructures using the regression algorithm, the procedure is the same as for classic DMNs.
Da die DMNs nur die Topologie der Mikrostrukturen beschreiben und das nichtlineare Verhalten der Phasen unabhängig davon modelliert wird, muss der Regressionsalgorithmus zur Vorhersage der DMN Parameter aus
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Deep Material Networks mit den Netzwerkparametern, die durch Aktivierungen zj und Rotationswinkel θj angegeben sind; -
2 ein Flussdiagramm zum Durchführen einer mikromechanischen Simulation eines Bauteils basierend auf dem DeepMaterial Networks der 1 ; und -
3 ein Verfahren zum Trainieren eines datenbasierten Netzwerkparametermodells zum Zuordnen von Netzwerkparametern des Deep Material Networks zu einer bestimmten charakterisierten Mikrostruktur.
-
1 a schematic representation of a deep material network with the network parameters indicated by activations z j and rotation angle θ j; -
2 a flowchart for performing a micromechanical simulation of a component based on the deep material network of FIG1 ; and -
3 a method for training a data-based network parameter model for assigning network parameters of the deep material network to a specific characterized microstructure.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Grundsätzlich erfolgt die numerische Simulation des mechanischen Verhaltens eines Bauteils im Rahmen der FEM durch Unterteilung des Bauteils in Volumenelemente, deren mechanische Eigenschaften bezogen auf einem dem Volumenelement zugeordneten Integrationspunkt
Um die Berechnung auf Grundlage der Mikrostrukturkonfigurationsparameter
Für diese Berechnung ist die Empfindlichkeit der Spannungen mit Bezug zu den Dehnungsinkrementen, gegeben durch
In
Für die Simulation werden in Schritt
Weiterhin werden für ein betrachtetes Volumenelement, das durch einen Integrationspunkt x̅ angegeben ist, in Schritt
In Schritt
In Schritt
Anschließend werden in Schritt
In Schritt
Dieses Verfahren wird für jeden der Integrationspunkte x̅ durchgeführt.This procedure is carried out for each of the integration points x̅.
Zur Ermittlung der Netzwerkparameter für das DMN ist ein datenbasiertes Netzwerkparametermodell vorgesehen, das mithilfe eines in dem Flussdiagramm der
In Schritt
Anschließend werden in Schritt
Daraus ergeben sich Trainingsdatensätze
Daraus werden in Schritt
Man erhält daraus für jede der durch die Mikrostrukturkonfigurationsparameter
Mithilfe des Trainingsdatensatzes
Damit können die Netzwerkparameter des Deep Material Networks für jedes Volumenelement unmittelbar durch die Mikrostrukturkonfigurationsparameter Aa vorhergesagt werden, d.h.
Das so trainierte Netzwerkparametermodell kann dann für die oben beschriebene mikromechanische Simulation eines Bauteils inkrementell für die einzelnen Integrationspunkte verwendet werden.The network parameter model trained in this way can then be used incrementally for the individual integration points for the micromechanical simulation of a component described above.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Modellordnungsreduktionsverfahren in Kombination mit Hauptkomponentenanalysen (PCA), z.B. Fritzen, F., & Böhlke, T. (2013) [0004]Model order reduction method in combination with principal component analysis (PCA), e.g. Fritzen, F., & Böhlke, T. (2013) [0004]
- Yvonnet, et al., „Computational homogenization of nonlinear elastic materials using neural networks“, International Journal for Numerical Methods in Engineering 104(12), 2015 [0005]Yvonnet, et al., "Computational homogenization of nonlinear elastic materials using neural networks", International Journal for Numerical Methods in Engineering 104 (12), 2015 [0005]
- M., „The sequential addition and migration method to generate representative volume elements for the homogenization of short fiber reinforced plastics.“, Computational Mechanics, 59, 247-263 2017 [0017]M., "The sequential addition and migration method to generate representative volume elements for the homogenization of short fiber reinforced plastics.", Computational Mechanics, 59, 247-263 2017 [0017]
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2020
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