Ein vereinheitlichter kontinuumsmechanischer Modellrahmen für anfängliche und induzierte Anisotropie - Systematische Untersuchungen zur anisotropen Schädigung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453715964

Viele praxisrelevante Materialien - insbesondere Komposite, die eine zunehmend wichtigere Rolle spielen - weisen bereits aufgrund ihrer Fertigung ein ausgeprägtes inelastisches und richtungsabhängiges (d. h. anisotropes) Verhalten auf. Kommt es infolge starker mechanischer Beanspruchungen zu großen plastischen Verformungen und Schädigung im Material, kann sich diese Richtungsabhängigkeit noch weiter verstärken. Aus praktischer und wissenschaftlicher Sicht ist neben dem Verständnis der Ursachen solch komplexen Materialverhaltens auch dessen Modellierung von enormer Bedeutung, um z. B. realistische Prognosen über die Lebensdauer und Tragfähigkeit entsprechender Bauteile in Simulationen treffen zu können. Es besteht dringender Bedarf an Modellen, welche die genannten Materialphänomene simultan und auf zufriedenstellende Weise abbilden können.Die zentrale Idee dieses Vorhabens ist daher, einen neuen und sehr allgemein anwendbaren kontinuumsmechanischen Modellrahmen basierend auf Strukturtensoren zu entwickeln, mit dem sich die auf den ersten Blick sehr unterschiedlichen Materialphänomene - anfängliche Anisotropie sowie induzierte Anisotropie aufgrund von Schädigung und / oder Plastizität - mittels eines vereinheitlichten Konzeptes beschreiben lassen. Dies wird die künftige Entwicklung neuer anisotroper Materialmodelle signifikant vereinfachen.Konkret konzentriert sich das Vorhaben auf die Herleitung und systematische Untersuchung von zwei verschiedenen Arten anisotroper Schädigungsmodellierung, die sich beide in den neuartigen kontinuumsmechanischen Rahmen einbetten lassen. Anhand unidirektional faserverstärkter Komposite soll überprüft werden, mit welcher Qualität die vorher dargelegten Schädigungskonzepte es vermögen, das tatsächliche physikalische Verhalten der Materialien nachzubilden. Dazu werden umfangreiche virtuelle Experimente auf der Mesoskala durchgeführt, mit deren Hilfe schrittweise Stärken und Defizite der jeweiligen Modellierungsstrategie aufgedeckt werden können. Beispielsweise kann Rissbildung in einem Komposit in Abhängigkeit von den Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften der Komponenten in der Matrix, in der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix oder in der Faser selbst erfolgen. Ein anisotropes kontinuumsmechanisches Schädigungsmodell sollte in der Lage sein, diese drei Fälle sowohl für spröde als auch für duktile Schädigung physikalisch sinnvoll abzubilden. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der numerischen Umsetzung. Es ist bekannt, dass sich bei entfestigendem Materialverhalten Verformungslokalisierung zeigt, die bei der Verwendung standardmäßiger Diskretisierungsmethoden zu pathologisch netzabhängigen Lösungen führen kann. Um diese Problematik zu umgehen, wird eine gradientenerweiterte Schädigungsmodellierung verfolgt, die in eine entsprechend erweiterte Finite-Elemente-Technologie eingebettet wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Tim Brepols