Ein "virtuellen Labors" für Ni/PU Hybridschäume: stochastische mikromechanische Identifikation und effektive numerische Simulationen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Anne Jung
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 338131106

Das Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung eines virtuellen Labors für offenporige Metallschäume, welches zur Vorhersage der makroskopischen mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden kann und die Variation in den Eigenschaften basierend auf mesoskopischen und mikroskopischen Verteilungen in den geometrischen und mechanischen Parametern. Ein diskretes Mesomodell soll als virtuelles Labor dienen. Dieses soll Variationen der Stegkonnektivität, der Steggeometrie und der Materialparameter der Stege berücksichtigen. Die Modellentwicklungen und die experimentelle Identifikation der stochastischen Geometrie- und Materialparameter werden an den kürzlich entwickelten Ni/PU-hybridmetallschäumen erfolgen. Diese sind wesentlich kostengünstiger als die alternativen offenporigen Hybridmetallschäume (z.B. Ni/Al).Das Innovationspotential des Projektes liegt v.a. auf den experimentellen Techniken und der stochastischen Parameteridentifikation. Die Hauptinnovationen können eindeutig in vier Unterziele unterteilt werden. Zunächst wird eine experimentelle Methode zur Messung von Kräften als Funktion der lokalen Dehnungsfelder einzelner Stege aber auch für einzelne Poren entwickelt. Anschließend wird ein 3D Balkenmodell, welches die diskrete Mesostruktur der Metallschäume beschreibt entwickelt. Das Balkenmodell wird als virtuelles Labor verwendet und berücksichtigt Variationen mittels eines Monte Carlo basierten Ansatzes, indem eine Vielzahl unterschiedlicher stochastischer Parameter zur Anwendung kommen. Einzelstege werden durch eine Reihenschaltung von 1D Balken dargestellt. Es wird eine geometrisch nichtlineare Balkenformulierung verwendet, die das elastoplastische Verhalten der Einzelstege vorhersagen kann. Das anschließende 3D Balkenmodell wird weiter in der Lage sein Schädigung einzelner Stege als auch einen Steg-Steg-Kontakt (Balken-Balken-Kontakt) zu berücksichtigen. Anschließend wird eine inverse Rechnung basierend auf Bayesian Interferenz zur Indentifikation der Verteilungsfunktionen der Materialparameter der Einzelstege benutzt, wobei die Einzelstege als Hintereinanderschaltung mehrerer Balken modelliert werden. Die Verwendung von Bayesian Interferenz garantiert einen konsistenten Ansatz zur Behandlung der Materialparameter als stochastische und nicht deterministische Variablen. Schließlich wird das 3D Balkenmodell (das virtuelle Labor) basierend auf experimentellen Ergebnissen, welche auf der Mesoskala (mehrere Poren) erzielt wurden, validiert. Die Konnektivität der Stege und die Stegausmaße der Proben müssen dazu explizit bekannt seine und müssen daher explizit bestimmt werden.Ein erfolgreiches Projekt resultiert in einem 3D Balkenmodell, welches in der Lage ist stochastische Effekte in der Schaumstruktur zu berücksichtigen, um die Vorhersage des mechanischen Verhaltens von Schäumen durch numerische Simulationen zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Luxemburg
• Partnerorganisation: Fonds National de la Recherche
• Mitverantwortlich: Dr. Lars A.A. Beex