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A Coupled Peridynamic-Finite-Element-Simulation for the Damage Analysis of Fibre Reinforced Composits

Subject Area Mechanics
Term from 2021 to 2025
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 456427423
 
Final Report Year 2024

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde das Ziel verfolgt, eine verbesserte Methodik zur Schadensanalyse von Faserverbundstrukturen zu entwickeln. Dafür wurde ein neuer adaptiver Lösungsansatz vorgeschlagen, der aus einer Kopplung der Peridynamik (PD) für potenziell geschädigte Modellbereiche mit der Finite-Element-Methode (FE) für die ungeschädigten Bereiche besteht. Das Ziel des Projektes war es, die Vorhersagegenauigkeit des Lasttragverhaltens zu erhöhen und dadurch robustere, sichere und ressourcenschonendere Strukturen entwickeln zu können. Die PD ist eine vielversprechende nicht-lokale Methode zur Beschreibung der Schädigung und des dynamischen Schädigungswachstums vor allem in spröden Materialien. Allerdings ist der Rechenaufwand extrem hoch, um eine hinreichend genaue Analyse des Schädigungsverhaltens in industriellen Bauteilen zu ermöglichen. Daher soll die Peridynamik nur in denjenigen Teilgebieten einer Struktur eingesetzt werden, in denen potenziell Schädigungen zu erwarten sind. Die übrigen Strukturgebiete werden mit Hilfe der klassischen FE modelliert. Für die Kopplung beider Teilgebiete wurden im Projekt geeignete Methoden untersucht, Softwarelösungen entwickelt und diese für 1D und 2D Anwendungen getestet und bewertet. Sehr gute Ergebnisse wurden mit der Arlequin Methode, der alternierenden Schwarz-Methode und der Splice-Methode erzielt. Die Splice-Methode zeichnet sich durch vergleichsweise einfache Koppelgleichungen und aus und lieferte bei den untersuchten Testbeispielen die besten Ergebnisse. Der Fokus der Untersuchungen lag jeweils auf der Berechnung der Ausbreitung von hochfrequenten Ultraschallwellen, wie sie bei der dynamischen Rissausbreitung typischerweise entstehen. Das Gebiet der Koppelzone verursacht einen mehr oder weniger großen künstlichen Impedanzsprung, der beim Übergang einer Welle zu künstlichen Wellenreflektionen führt, die durch eine geeignete Parameterwahl minimiert werden konnten. Für die Simulation der Schädigungen von Faserbundstrukturen mit Hilfe der PD, wurden Materialund Schädigungsmodelle entwickelt, getestet und in Form von Softwarelösungen bereitgestellt. Die ursprünglich vorgesehene Integration der Lösungen einschließlich der Koppelsoftware in die vorhandene Software Peridigm wurde auf Grund der Komplexität fallengelassen und stattdessen eine neue Simulationssoftware, PeriLab, entwickelt, die auf der deutlich einfacheren und modernen Programmiersprache Julia basiert. In der neuen Software wurden die erforderlichen finiten Elemente bereits integriert und erfolgreich getestet. Die Integration der entwickelten Koppelalgorithmen ist noch nicht vollständig abgeschlossen und dauert noch an. Für die Software PeriLab wurden Interfaces entwickelt, welche die Integration von User-Materialien (UMATS), wie sie in Abaqus verwendet werden, ermöglichen. Es wurden linearelastische und plastische Schädigungsmodell für die PD vorgestellt und damit Testfälle berechnet, deren Ergebnisse gut mit FE-Referenzlösungen übereinstimmten. Weiterhin wurde ein neuartiges anisotropes Schädigungsmodell entwickelt und anhand einer Platte mit Loch und einem schrägen Anriss getestet und dabei der Einfluss verschiedener Parameter auf das Risswachstum und die Rissinitiierung studiert. Das verwendete Schädigungsmodell kann die Risspfade gut vorhersagen. Die neue Software PeriLab wurde offen publiziert; für die Version 1.0 ist eine Journalpublikation verfügbar. Der Code ist MPI parallelisierbar und die bisher verwendeten Berechnungsmodelle sind frei verfügbar. Die Softwaretests laufen automatisiert ab und werden bei jedem Commit (hochladen vom Code) ausgeführt. Fehlermeldungen in logging Dateien werden erstellt und bereitgestellt. Die im Projekt entwickelte Software ist gemäß dem DFG-Ziel zur "Nachhaltigkeit von Forschungssoftware" im Rahmen des Förderprogramms "e-ResearchTechnologien" frei zugänglich, so dass eine Weiterverwendung durch andere Forscher möglich ist.

Publications

 
 

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