Entwicklung und Simulation eines Mehrskalen-Materialmodells für das spröde Verhalten von Eis bei Struktur-Interaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Sören Ehlers
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441262697

Meeresregionen mit Eisbedeckung sind für verschiedene Akteure attraktiv, z.B. für die Öl- und Gasindustrie, die Marine oder die Fischerei. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Kollision von Meereis mit Schiffen oder Offshore-Strukturen schwere Schäden verursachen kann. Somit ist die Bedeutung von Designmethoden die Eislasten berücksichtigen gestiegen. Stand der Technik sind empirische Methoden und Modelleistests. Allerdings sind beide Methoden mit Nachteilen verbunden. Empirische Methoden liefern lediglich ungenaue, globale Eislasten. Modelleistests sind Gegenstand von Diskussionen über Skalierungsgesetze und die Verwendung von Zusätzen in der Herstellung von Modelleis. Numerische Simulationen sind eine mögliche Lösung. Simulationen können weitere Aspekte des Designprozesses, z.B. lokale Lasten oder verformbare Strukturen, abdecken, die bei den herkömmlichen Methoden nicht berücksichtig werden. Bei Simulationen von Eis-Struktur Interaktion (ESI) ist allerdings oft das Eismaterialmodell der limitierende Faktor. Das komplexe Verhalten von Eis wird von aktuellen Materialmodellen nur teilweise abgebildet. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, jene Effekte der ESI zu identifizieren die maßgeblich für Eislasten sind. Es soll ein multi-skalen Eismaterialmodell entwickelt werden, welches diese Effekte abbildet, aber ohne den Anspruch, das komplexe Verhalten gänzlich widerzuspiegeln. Die Kernideen sind eine Untergliederung in Teilmodelle und Skalierbarkeit. Jeder Effekt soll eindeutig in einem Teilmodell abgebildet sein. Ein Teilmodell soll die Entstehung von Makrorissen abbilden. Das Makrorissmodel soll in ein zweites Teilmodell für anisotrope Elastizität eingebettet werden. Zusätzlich sollen die Materialeigenschaften in einem dritten Teilmodell mit einer stochastischen Verteilung modelliert werden, um die Realität widerzuspiegeln. Des Weiteren soll das Materialmodell auf verschiedene Skalen von Szenarios anwendbar sein, was skalenabhängige Modellierung voraussetzt.Jedes Teilmodell soll möglichst separat mit Experimenten verifiziert werden. Abschließend soll das komplette Materialmodell anhand einer Simulation eines großmaßstäblichen in-house Versuchs verifiziert werden. Zusätzlich soll eine Serie von detailliert dokumentierten Benchmark-Experimenten erstellt werden, die zur Verifizierung von Eismaterialmodellen geeignet sind. Außerdem soll eine bereits existierende Datenbank von Eisexperimenten gepflegt und ausgebaut werden. Sowohl die Benchmark-Experimente als auch die Datenbank sollen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.Mit erfolgreichem Abschluss des Projekts wäre die Simulation von vollmaßstäblichen Szenarios mit Salzwassereis in Reichweite.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen