Mehrskalige Modellierung des anisotropen elasto-plastischen Verhaltens von Papier

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457025480

Obwohl Papier bereits seit etwa 2000 Jahren verwendet wird und das Anwendungsgebiet so vielfältig ist, ist die Modellierung des Verhaltens von Papier noch nicht ausreichend erforscht. Dabei besteht zunehmend Bedarf an Simulationstools, die eine effiziente Strukturberechnung und die Optimierung der Materialeigenschaften andererseits ermöglichen. Die Schwierigkeit bei der Modellierung liegt darin, den Einfluss der dem Material zugrunde liegenden Mikrostruktur, die ein aus verbundenen Fasern bestehendes Netzwerk darstellt, auf das makroskopische Strukturverhalten von Papierschichten zu erfassen. Mit dem hier beantragten Projekt soll eine numerische Modellierungsstrategie entwickelt werden, die eine effiziente Beschreibung des Materialverhaltens auf der Strukturebene bei gleichzeitiger Erfassung der wirkenden Effekte auf der Faser- bzw. Netzwerkebene ermöglicht. Dadurch ist es möglich, offene Fragen zum Einfluss der einzelnen mikromechanischen Eigenschaften und Effekte auf das Gesamtverhalten des Papiers zu beantworten, die sich aufgrund der geringen Abmessungen der einzelnen Fasern kaum experimentell analysieren lassen. Dafür wurden im Vorgängerprojekt bereits repräsentative Volumenelemente (RVE) für die Faser-Netzwerke erstellt und ausführlich unter unterschiedlichen Belastungen untersucht. Dabei wurde besonders die Varianz der effektiven Gesamtantwort des RVE infolge von statistischen Verteilungen geometrischer Daten, wie z.B. der Faserlängen, und des Materialverhaltens einzelner Fasern sowie der Faser-Faser-Bindungen analysiert. Diese RVE wurden mittels einer FE2-Methodik basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) implementiert. Ziel des vorliegenden Folgeantrags ist es, diese Berechnungen mittels FE2 zu validieren und effizienter zu gestalten, indem eine Modellreduktion auf Basis der Proper Orthogonal Decomposition (POD) Methode erfolgt. Dadurch sollen auch Probleme mit praktischer Relevanz berechenbar werden, die ansonsten aufgrund des erhöhten Rechenaufwands nur schwer zu behandeln sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Johannes Neumann
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ulrich Hirn