Eine effiziente Methode zur Modellierung der Flexoelektrizität in weichem Material zur Unsicherheitsquantifizierung und Zuverlässigkeitsanalyse

• Antragsteller: Dr.-Ing. Khader Hamdia
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492535144

In dem Forschungsvorhaben soll eine effiziente Unsicherheitquantifizierungsmethode für flexoelektrische weiche Materialien entwickelt, implementiert, verifiziert und validiert werden. Weiche Materialien finden sich in einer Vielzahl moderner Technologien. Sie können als Schäume und Klebstoffe, Kolloide und körnige Materialien, Schmiermittel und Kraftstoffadditive sowie Gummi in Reifen verwendet werden. Darüber hinaus können auch eine Reihe von biologischen Materialien (z. B. Blut, Muskeln, Milch) als weiche Materie klassifiziert werden. Durch die Kopplung zwischen elektrischer Polarisation und Dehnungsgradient wird Flexoelektrizität in weichen Dielektrika erzeugt. Dies wird auf die ungleichmäßige Verschiebung von Ionen aufgrund eines Dehnungsgradienten zurückgeführt. Es wird erwartet, dass die Energieumwandlung in weichen Materialen aufgrund der größeren Verformungen deutlich verbessert wird. Die numerische Modellierung von flexoelektrischen weichen Werkstoffen unterliegt zahlreichen Unsicherheitsqullen. Diese Unsicherheit kann zu erheblichen Schwankungen der gewünschten Leistung führen. In der numerischen Lösungen können die Unsicherheiten mit der angewandten Methode und ihren Eingangsgrößen zusammenhängen. Ersteres beinhaltet Fehler, die sich aufgrund von Annahmen und Vereinfachungen des physikalischen Verhaltens ergibt. Letzteres schließt die stochastische Varianz von unsicheren Parameter durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen ein.Ziel dieses Antrages ist es, ein Verfahren zu Entwicklung, Analyse, und Design-Optimierung von flexoelektrischen weichen Materialien unter großen Verformungen bereitzustellen. Die vorgeschlagene Methode soll die vollständigen statistischen Eigenschaften mit eine Zuverlässigkeitsanalyse des elektromechanischen Kopplungseffektes erfassen. Zur Lösung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen in schwacher Form soll eine NURBS-basierte IGA-Formulierung mit hierarchischer mehrstufiger Diskretisierung entwickelt werden. Die Methode wird durch Vergleiche mit Benchmark-Beispiele validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen