Materialmechanik

Die präzise Modellierung des Materialverhaltens ist von entscheidender Bedeutung für den Erfolg numerischer Simulationen des Belastungsverhaltens von Bauteilen oder von Prozessen. Ein Forschungsschwerpunkt des LTM ist die Entwicklung konstitutiver Modelle zur Beschreibung des elastischen, plastischen oder viskoelastischen Verhaltens unterschiedlicher Ingenieurmaterialien. Neben Schädigungs- oder Bruchvorgängen werden auch physikalisch gekoppelte Probleme betrachtet, beispielsweise die Modellierung elektro- oder magnetoaktiver Polymere.

Projekte:

Dieser Antrag befasst sich mit einem gekoppelten Quantenmechanik (QM) - Kontinuumsmechanik (KM) - Ansatz zur Analyse elektro-elastischer Probleme. Trotz der Anstrengungen, die bereits unternommen wurden um die verschiedenen Modelle zur Beschreibung des Verhaltens von Materie zusammenzuführen, gibt es noch offene Fragen, die weiterer Klärung bedürfen. Zunächst gilt es einen effizienten, auf Finiten Elementen (FE) basierenden Lösungsansatz für die Kohn-Sham (KS) Gleichungen…

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Zahlreiche biologische Systeme sind mit dünnen Schichten bedeckt, die dem Schutz, der selektiven Absorption, und dem transmembranen Transport dienen. Typische Beispiele sind die Haut als Schutzmantel des gesamten Körpers, die Schleimhaut als Schutz der Lungen, und die Kortex als Schutzhülle des Gehirns. Biologische Oberflächen weisen üblicherweise ein anderes Materialverhalten als der ihnen anhaftende Festkörper selbst auf; insbesondere wachsen sie häufig mit einer anderen Geschwindigkeit. Wachstum, morphologische Instabilitäten und das Ausbeulen biologischer Oberflächen sind bereits intensiv untersucht worden, wobei die Oberfläche bisher immer als Schicht mit einer finiten Dicke mo-delliert wurde. Jedoch wurde bislang nie das Wachstum der Oberfläche selbst untersucht. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Theorie von Kontinua mit Oberflächenenergien und wachsenden Oberflächen zu etablieren, wobei die Oberfläche mit ihrer eigenen freien Oberflächenenergie ausge-stattet ist, und vollkommen unabhänging vom Festkörper selbst wachsen kann. In Analogie zu den klassischen Gleichungen der Kinematik, den Bilanzgleichungen, und den Konstitutivgleichungen wachsender Festkörper sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die kontinuumsmechanischen Grundgleichungen für wachsende Oberflächen herleitet werden. Wir werden diese Gleichungen mit Hilfe der Finite Element Methode diskretisieren, und ein robustes und stabiles Computerprogramm bereitstellen, das es uns erlaubt, den Beginn und den Fortschritt morphologischer Oberflächenände-rungen quantitativ vorherzusagen. Das Computerprogramm soll anhand von vier ausgewählten An-wendungen demonstriert werden: Ausbeulen dünner polymerartiger Filme, Faltenbildung in der Haut, Degeneration der Atemröhre, und Gehirnfaltung. Die Modellierung von Oberflächenwachstum hat direkte biomedizinische Anwendungen im Bereich der Plastischen Chirurgie, in der Asthmaforschung, und in der Gehirnentwicklung. Neben diesen biomedizinischen Anwendungen ist das grundsätzliche Verständnis von wachstumsinduzierten morphologischen Instablitäten und Oberflächenfaltung wichtig in der Materialtheorie, der Werkstoffkunde, und der Mikrofertigung, mit direkten Anwendungen z.B. in der Soft-Lithographie, der Messtechnik, und der flexiblen Elektronik.

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The mechanical response of electronic electro-active polymers (EEAP) under electric loading is influenced both by mechanical and electric properties of the material. Understanding the behavior of EEAP is vital in the development and design of EEAP based actuators and artifical muscles. Despite the fact that applications of EEAP are very promising, until now only a handful of experimental works have been realized to characterize their material properties. Moreover, so far only one-sided coupled models were used to explain experimental data and there exist discrepancies between meausrement, modeling and simulation. In this proposal, first experimental work will be performed to determine the material characteristics of a typical EEAP material then the electro-mechanical coupling phenomenon exhibited by EEAP will be modeled within the frameof hyperelasticity and viscoelasticity. Finally, by using a variational approach, a formulation representing the fully coupled problem will be derived, discretized, linearized and solved by the Finite Element Method in order to simulate the behavior of EEAP. Benchmark simulations will be performed to validate the applicability of the coupled model. Efforts will also be directed to the study of defects of EEAP by the Material Force Method and with the help of some recent developments in the spatial and material setting of nonlinear electro-elasticity. Especially the Material Force Method will be applied in numerical studies of cracked structures made of EEAP.

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This proposal aims at an extension of a recently developed, hybrid MD-FE simulation scheme towards its application to materials dominated by polymer-solid interphases. Only particle-based methods are able to intrinsically resolve microstructure and mechanical behavior of interphases. Therefore, we proceed with the following setup: A coarse-grained MD domain, which contains a single nanoparticle and as much polymer as necessary to ensure bulk behavior at the boundary, is included into a FE do-main. The FE boundary is used to apply various types of deformations and to record the overall stress responses of particle, surrounding interphase and bulk. With these data, the parameters of a purely continuous counterpart to the hybrid setup are iteratively adjusted until it behaves identically. As its main feature, the continuous ersatz-model substitutes the interphase between particle and polymer by an interface governed by a surface energy in the sense of Gibbs. This can be understood as a condensation of micro-scale property profiles within the 3-D interphase into a 2-D continuum mechanical model. Ultimately, after homogenizing the continuous ersatzmodel, macroscopic structure simulations allowing for a due consideration of interphase effects as occurring around nanoparticles are to be realized.

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MOCOPOLY is a careful revision of an AdG2010-proposal that was evaluated above the quality threshold in steps1&2. In the meantime the applicant has made further considerable progress related to the topics of MOCOPOLY. Magneto-sensitive polymers (elastomers) are novel smart materials composed of a rubber-like matrix filled with magneto-active particles. The non-linear elastic characteristics of the matrix combined with the magnetic properties of the particles allow these compounds to deform…

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Im Fokus dieses Vorhabens steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Materialien mit heterogener Faserstruktur (z.B. schaumartige Filterstrukturen oder Dämmungs-materialien aus der Automobilindustrie) unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwi-schen den einzelnen Fasern. Das Problem wird dabei durch die Berücksichtigung der verschie-denen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist.…

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Magneto-sensitive-elastomers are smart materials which are composed of a rubber-like basis matrix filled with magneto-active particles. Due to the highly elastic properties of the rubberlike material, these compounds are able to deform significantly, i.e. geometrically non-linearly by the application of external magnetic fields. The rapid response, the high level of deformations that may be achieved, and the possibility of controlling these deformations by varying an external magnetic field, make…

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Im Fokus dieses Vorhabens steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Materialien mit heterogener Faserstruktur (z.B. schaumartige Filterstrukturen oder Dämmungs-materialien aus der Automobilindustrie) unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwi-schen den einzelnen Fasern. Das Problem wird dabei durch die Berücksichtigung der verschie-denen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist.…

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Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens auf der Methodenseite ist es, eine vom Rechenaufwand handhabbare numerische Methode zu etablieren, die es erlaubt, polymorphe Unsicherheiten in großdimensionierten Problemen (die z.B. im Rahmen der numerischen Analyse der Mikrostruktur heterogener Materialien entstehen) zu erfassen. Dazu wird die Methode auf der einen Seite unscharfe Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Zufallsparameter (die die Geometrie der Mikrostruktur beschreiben) berücksichtigen…

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The main goal of this proposal is the computational modeling of solvent penetration in glassy polymers. For most engineering applications, Fick s law accurately describes diffusive processes, but one of the applications where it miserably fails is in glassy polymers near the glass transition temperature. In the vicinity of the glass transition temperature, when a low molecular weight solvent diffuses into a glassy polymer, the latter is caused to undergo a rubber-glass phase transition. The diffsive…

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Diffusion, especially when coupled with deformation, is of utmost scientific and technological im-portance in various fields of engineering, materials science, natural sciences and their intersections. Prominent examples are the modelling and simulation of solder joints, micro-structure evolution in advanced materials as used e.g. in modern and future turbine blades produced from single crystals, mineral unmixing in geology, contaminant distribution in environmental systems, and drug transport…

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Das beantragte Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der numerischen Simulation und der Modellierung des Verhaltens von EEAPs (Electronic Electro-Active Polymers) unter dem Einfluss elektrischer Belastungen. Obwohl bereits Arbeiten vorliegen, die das Verhalten von EEAPs prinzipiell beschreiben, bedarf es noch weiterer Anstrengungen um die elektro-thermo-mechanische Wechselwirkung in einem Kontinuumskörper zu modellieren, der einerseits großen Formänderungen unterliegt und…

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Klassische kontinuierliche Ansätze berücksichtigen die besondere atomare oder molekulare Struktur von Materialien nicht explizit. Somit sind sie für die korrekte Beschreibung hochgradig multiskaliger Phänomene wie beispielsweise Rissausbreitung oder Interphaseneffekte in Polymerwerkstoffen nicht gut geeignet. Um die atomare Auflösungsebene zu integrieren, wurde die „Capriccio“-Methode als eine neuartige Multiskalentechnik entwickelt. Sie wird z.B. für…

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Aussagefähige Bauteilsimulationen erfordern eine quantitativ exakte Kenntnis der Materialeigenschaften. Dabei sind klassische Charakterisierungsmethoden
teilweise aufwendig, in der Variation und Kontrolle der Umgebungsbedingungen anspruchsvoll oder in der räumlichen Auflösung begrenzt. Das Projekt beschäftigt sich
deshalb mit der Ertüchtigung hochauflösender Meßmethoden wie Nanoindentation oder Rastkraftmikroskopie und der komplementierenden…

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Die mechanischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen hängen nicht nur von der chemischen Komposition und den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte,...) ab,
sondern sie variieren teilweise erheblich mit dem verwendeten Aushärteregime und der Temperaturhistorie. Sie sind darüber hinaus vor allem in Verbundsituationen
u.U. sogar ortsabhängig von den Eigenschaften der Kontaktpartner beeinflußt, bilden also Eigenschaftgradienten (sog. Interphasen) aus.
Um diese Effekte bei der Simulation von Bauteilen korrekt abbilden zu können werden im Rahmen des Projektes Modelle entwickelt und erweitert,
die zeit-, orts- und umgebungsabhängige Materialeigenschaften wie Steifigkeitsevolutionen und -gradienten, Aushärteschrumpf und verschiedene Arten von
Inelastizität (Viskoelastizität, Elastoplastizität, Viskoplastizität, Schädigung) berücksichtigen können.

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Die numerische Simulaton von geschichteten Blechpaketen, welche in Elektrischen Antrieben und Transformatoren auftreten, stellt aufgrund des Aufbaus dieser Komponenten eine Herausforderung in der Strukturmechanik dar. Je nach Herstellungsprozess stehen diese Bleche entweder in direktem Reibkontakt zueinander oder werden mit Hilfe von Backlack zusammengehalten. Insbesondere die Zwischenschicht und die Interaktion einzelner Bleche besitzen einen großen Einfluss auf die Struktur und können für ein nichtlineares Deformationsverhalten verwantwortlich sein. In Bezug auf Leistungsfähigkeit und Aufwand besteht das Ziel darin eine Finite-Element Simulation, in der jedes einzelne Blech diskretisiert wird, zu vermeiden, so dass in diesem Projekt auf Methoden der Homogenisierung zurückgegriffen wird, um ein adäquates Ersatzmaterialmodell zu formulieren, welches die spezielle Mikrostruktur dieser Blechpakete berücksichtigt.

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Beteiligte Wissenschaftler: