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Variationelle Modellierung und Simulation von thermo-optochemo-dynamischer Kopplung in flüssigkristallinen Elastomeren

Fachliche Zuordnung Mechanik
Förderung Förderung seit 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463546105
 
Die Modellierung und Simulation gekoppelter, multiphysikalischer Probleme in Wissenschaft und Technik ist Gegenstand aktueller Forschung. Ziel ist dabei die möglichst exakte Modellierung aller einseitigen und gegenseitigen Wirkungen zwischen den unterschiedlichen Bereichen der Physik. Dadurch werden für komplexe Systeme Verhaltensprognosen und eine gezielte technische Beeinflussung ermöglicht. Ein Beispiel ist die induzierte Deformation eines Kontinuums durch äußere multiphysikalische Einwirkungen. Die Deformation kann zur Bewegung des Kontinuums selbst, aber auch zur Bewegung von Körpern an den Kontinuumsrändern führen. Dies ist mit einem flüssigkristallinen Elastomermaterial möglich, welches große Deformationen infolge äußerer Anregung durch Temperaturfelder oder ultravioletem Licht ermöglicht, und Aufgaben teurerer und schwererer Bewegungsmechanismen übernehmen kann.In der Entwicklung von Anwendungen solcher künstlicher Materialien während einer Konstruktion von Apparaten, Aktuatoren und Leichtbaustrukturen werden immer mehr transiente, numerische Simulationen eingesetzt. Dies reduziert die Anzahl von zeit- und kostenintensiven, experimentellen Untersuchungen, und leistet so einen Beitrag zur Schonung von Materialressourcen und Energie. Gerade bei heterogenen Polymermaterialien wie einem flüssigkristallinen Elastomermaterial, kann die gezielte Anwendung simulativ entwickelt und optimiert werden. Dazu wird eine langzeitstabile Simulationsmethode empfohlen, die sich mit bestehenden Finite-Elemente-Methoden nahtlos verbinden lässt, und somit auch Mehrkörpersimulationen erleichtert. Als langzeitstabil gelten variationelle Materialmodelle und Simulationsmethoden ergänzt durch energie-impuls-konsistente Zeitintegrationsalgorithmen. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist daher die variationelle Modellierung des mikro-makro-mechanischen Materialverhaltens eines flüssigkristallinen Elastomermaterials durch ein neuartiges verallgemeinertes Kontinuum basierend auf Funktionalformulierungen.Dies ermöglicht eine Simulation mittels materialspezifischer, gemischter Finite-Elemente-Methoden, und führt auf eine versteifungsfreie Raumdiskretisierung der Elastomerbauteile.Um dynamische Simulationen multiphysikalisch, induzierter Bewegungen numerisch stabil und CPU-Zeit-effizient durchzuführen, soll eine energie-impuls-konsistente Zeitintegration entwickelt und implementiert werden. Durch eine automatische Zeitschrittweitenregelung führen diese Algorithmen in Verbindung mit versteifungsfreien Raumdiskretisierungen weniger Berechnungsschritte aus, und erfüllen dabei alle Bilanzgleichungen eines verallgemeinerten Kontinuums und gekoppelten Problems algorithmisch exakt.
DFG-Verfahren Sachbeihilfen
 
 

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