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Projekt
Datenbasierte skalenüberbrückende Simulation strukturierter magnetorheologischer Elastomere
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
Fachliche Zuordnung
Strömungsmechanik
Mechanik
Mechanik
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511114185
Übergeordnetes Ziel dieses Teilvorhabens ist die Untersuchung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen strukturierter magnetorheologischer Elastomere (MRE). Im Gegensatz zu herkömmlichen MRE weisen diese anisotrope räumliche Anordnung der enthaltenen magnetisierbaren Partikel in der umschließenden weichen elastischen Polymermatrix auf. Solche Strukturen bilden sich zum Beispiel durch Anlegen externer Magnetfelder während der Herstellung. In Kooperation mit den vier weiteren Teilprojekten der Forschungsgruppe sollen die relevanten physikalischen Prozesse von der Herstellung bis zum fertigen Kompositmaterial mit theoretischen und experimentellen Methoden gezielt analysiert werden. Darüber hinaus werden die Erkenntnisse fachdidaktisch für Schüler*innen und Lehrkräfte aufbereitet sowie durch Outreach-Aktivitäten einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Der Schwerpunkt dieses Teilprojektes liegt in der Bereitstellung von modell- und datenbasierten Methoden zur effizienten skalenübergreifenden Simulation strukturierter MRE. Ausgehend von den Eigenschaften der Konstituenten sowie deren mikrostruktureller Anordnung soll das effektive makroskopische Materialverhalten durch numerische Homogenisierungsmethoden berechnet werden. Dazu werden Computertomografie (CT)-Daten realer Mikrostrukturen und Datensätze aus Prozesssimulationen statistisch analysiert und darauf aufbauend statistisch äquivalente Volumenelemente (SVE) mit einer im Vergleich zur Ausgangsstruktur deutlich reduzierten Partikelanzahl konstruiert. Der Vorteil dieses Vorgehens liegt in der Reduktion des beträchtlichen Rechenaufwands, welcher bei der Simulation der originalen Mikrostruktur notwendig wäre. Durch Homogenisierung der SVE sollen verschiedenste Strukturen hinsichtlich ihrer resultierenden magnetomechanischen Kopplungseigenschaften untersucht werden. Somit ist es möglich, den Zusammenhang zwischen Prozessparametern und den effektiven magnetomechanischen Eigenschaften des MRE herzustellen. Letztendlich dient der aus den Simulationen resultierende Datensatz als Ausgangspunkt zur Formulierung und Parametrisierung eines makroskopischen Materialmodells für strukturierte MRE. Dazu soll eine Modellierungsstrategie auf Basis künstlicher neuronaler Netze (KNN), die physikalischen Prinzipien berücksichtigen, verfolgt werden. Dieses Vorgehen vereint die Vorteile klassischer Modelle mit der Flexibilität von KNN. Das Modell wird anschließend benutzt, um das Verhalten von kompletten Proben und Aktoren für verschiedene äußere Lasten zu untersuchen. So wird ein tiefgreifendes Verständnis für das komplexe Wechselspiel zwischen Mikro- und Makroskala gewonnen. Perspektivisch werden automatisierte Frameworks zum autonomen Materialdesign entwickelt und angewendet. Weiterhin ist eine Erweiterung von Modellen und Simulationstools zur Abbildung dynamischer Effekte vorgesehen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
