Eine neuartige direkte Methode zur Versagensvorhersage von partikelverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546471367

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe haben aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften ein breites Anwendungsfeld. Sie eignen sich zum Beispiel für die Elektronik-, Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Allein im Jahr 2019 wird der globale Markt für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe auf fast 340 Millionen USD geschätzt. Es wird erwartet, dass insbesondere die Automobil- und Luftfahrtindustrie den Markt für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe in den kommenden Jahren weiter vorantreiben wird, da der Bedarf an kraftstoffsparenden Leichtbaukomponenten steigt. Trotz der Bedeutung dieser Werkstoffe ist ihr Materialverhalten noch nicht vollständig verstanden, und die vorhandenen Modelle sind in Bezug auf die Plastizität in Verbindung mit Schädigung, Ermüdung und Grenzzuständen unterentwickelt. Ein Grund dafür ist die Komplexität des Materialverhaltens, die sich aus seiner mehrskaligen Natur ergibt, da die makroskopische Materialantwort der Verbundwerkstoffe von ihrer intrinsischen Mikrostruktur diktiert wird. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf partikelverstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, deren Versagen hauptsächlich von der Partikelgröße, der Volumenfraktion und der Partikelverteilung abhängt. Um die praktischen Anwendungsbereiche von partikelverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen noch zu erweitern, muss das Materialverhalten besser verstanden. Außerdem muss ein numerischer mehrskaliger Modellierungsrahmen implementiert werden, der Grenzzustände von Verbundwerkstoffstrukturen bestimmen kann, so dass sie auch unter komplexen und variierenden Belastungsszenarien "sicher" bleiben. Dieses Projekt zielt darauf ab, einen solchen Rahmen für die Analyse von Grenzzuständen zu entwickeln, der Plastizität mit nichtlinearer Verfestigung, duktile Schädigung der Matrix, Sprödbruch der Partikel, Partikel-Matrix-Ablösung sowie inkrementellen plastischen Kollaps und alternierende Plastizität umfasst. Bisher wurden diese Phänomene auf der Grundlage von pfadabhängigen inkrementellen Methoden, die dem vorgegebenen Lastpfad schrittweise folgen, und pfadunabhängigen direkten Methoden, die nur die endgültigen Versagenszustände für die letztgenannten Phänomene berücksichtigen, unabhängig voneinander behandelt. Abweichend von diesem traditionellen Vorgehen werde ich diese Phänomene in einer einheitlichen direkten Methode vereinen, die in ein einzigartiges Berechnungswerkzeug implementiert ist. Das Ergebnis ist eine neuartige direkte Methode zur Versagensvorhersage von Verbundwerkstoffen bei komplexen Lastzuständen und Verformungshistorien. Dadurch können Schädigungszustände mit einer direkten Methode berücksichtigt werden, ohne dass eine inkrementelle Analyse durchgeführt werden muss. Das ist zumindest in der ersten Phase des Strukturentwurfs relevant, in der eine genaue Kenntnis der Schädigungsmuster nicht erforderlich ist. Dies stellt einen Paradigmenwechsel dar, der neue Wege für Entwurfskonzepte für Verbundstrukturen eröffnen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen