Eine dreidimensionale Mehrskalenmethode zur Modellierung von Materialversagen in Nano-Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Timon Rabczuk, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233096124

In dem Forschungsvorhaben wird die Entwicklung und Validierung einer dreidimensionale Mehrskalenmethode zur Simulation des Bruchverhaltens von Nano-Composites vorgestellt. Nano-Composites bestehen aus einer Polymer-Matrix und Bewehrung (aus Ton). Die Bewehrung verspricht die mechanischen und thermischen Eigenschaften von reinen Polymeren deutlich zu verbessern. Es sollen drei Skalen verknüpft werden: die Nano-Skale mit der Mikro-Skale mit Hilfe einer hierarchischen Kopplung und die Mikro-Skale mit der Makro-Skale mit Hilfe einer simultanen (=concurrent) Kopplung, der Partition-of-Unity angereicherten Arlequin Methode. Um das Bruchverhalten auf der Mirko-Skale und Makro-Skale zu modellieren soll die erweiterte Finite Element Methode (XFEM) verwendet werden. Auf der Nano- Skale sollen Simulationen basierend auf der Molekulardynamik (MD) durchgeführt werden, um die Eingangsparameter (=Materialparameter) auf der Mikro-Skale zu bestimmen. Kohesive Modelle werden auf der Mikro-Skale verwendet, da die Prozesszone in Nano-Composites relativ groß ist. Nach bestem Wissen ist dies der erste Ansatz einer dreidimensionalen Mehrskalenmethode, die 1. mehr als zwei Skalen überbrückt und 2. auf das Bruchverhalten von Polymer-basierten Werkstoffen angewendet wird. Die Methode wird durch Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen validiert. Das letztendliche Ziel ist es ein besseres Verständnis zum Bruchverhalten von Nano-Composites zu erlangen, um makroskopische Stoffgesetze zu verbessern und die Entwicklung solcher Materialien zu unterstützen (Computational Materials Design).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen