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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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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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The mechanical properties and the fracture toughness of polymers can be
increased by adding silica nanoparticles. This increase is
mainly caused by the development of localized shear bands, initiated by
the stress concentrations due to the silica particles. Other mechanisms
responsible for the observed toughening are debonding of the particles
and void growth in the matrix material. The particular mechanisms depend
strongly on the structure and chemistry of the polymers and will be
analysed for two classes of polymer-silica composites, with highly
crosslinked thermosets or with biodegradable nestled fibres (cellulose,
aramid) as matrix materials.

The aim of the project is to study the influence of different mesoscopic
parameters, as particle volume fraction, on the macroscopic fracture
properties of nanoparticle reinforced polymers.

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In a continuum the tendency of pre-existing cracks to propagate through
the ambient material is assessed based on the established concept of
configurational forces. In practise crack propagation is
however prominently affected by the presence and properties of either
surfaces and/or interfaces in the material. Here materials exposed to
various surface treatments are mentioned, whereby effects of surface
tension and crack extension can compete. Likewise, surface tension in
inclusion-matrix interfaces can often not be neglected. In a continuum
setting the energetics of surfaces/interfaces is captured by separate
thermodynamic potentials. Surface potentials in general result in
noticeable additions to configurational mechanics. This is
particularly true in the realm of fracture mechanics, however its
comprehensive theoretical/computational analysis is still lacking.

The project aims in a systematic account of the pertinent
surface/interface thermodynamics within the framework of geometrically
nonlinear configurational fracture mechanics. The focus is especially on
a finite element treatment, i.e. the Material Force Method [6]. The
computational consideration of thermodynamic potentials, such as the
free energy, that are distributed within surfaces/interfaces is at the
same time scientifically challenging and technologically relevant when
cracks and their kinetics are studied.

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Kunststoffe spielen in Ingenieuranwendungen eine wichtige Rolle, wobei sie
neue Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Materialeigenschaften bieten.
Sie bestehen aus langkettigen Polymeren und bieten, zusammen mit z.B.
Füllstoffen, ein enormes Potential für maßgeschneiderte Eigenschaften.

Moderne Verfahren erlauben es, Füllstoffpartikel mit typischen Abmessungen
von einigen Nanometern herzustellen und in Polymeren zu dispergieren. Selbst bei
geringem Volumenanteil können diese sog. Nanofüllstoffe - vermutlich durch das
sehr große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen - starken Einfluss auf die
Eigenschaften der Kunststoffe haben. Der die Füllstoffpartikel umschließenden
Polymer-Partikel-Interphase kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu: wie
Versuche zeigen, können bestimmte Nanofüllstoffe z.B. die Ermüdungslebensdauer
von Kunststoffen um den Faktor 15 steigern.

Für eine effektive Auslegung solcher Nanokomposite sind häufig aufwändige
mechanische Prüfungen erforderlich, die durch Simulationen ergänzt oder ersetzt
werden könnten. Die üblicherweise Ingenieuranwendungen zugrunde liegende
Kontinuumsmechanik zusammen mit der Finiten Elemente (FE) Methode ist hierfür
aber kaum geeignet, da sie die Vorgänge auf molekularer Ebene nicht erfassen
kann. Dazu ist z.B. die Molekulardynamik (MD) als teilchenbasiertes Verfahren
in der Lage, die aber dafür nur äußerst kleine Systemgrößen und
Simulationszeiten erlaubt. Erst die Kopplung beider Ansätze ermöglicht die
Simulation realitätsnaher, sog. repräsentativer Volumenelemente (RVE) unter
Einbeziehung atomistischer Effekte.

Ziel des über 4 Jahre laufenden Vorhabens ist die Entwicklung einer
Methodik, mit der das Materialverhalten der Polymer-Partikel-Interphase in
Nanokompositen kontinuumsmechanisch beschrieben kann, wobei die dafür
erforderlichen Konstitutivgesetze aus teilchenbasierten Simulationen gewonnen
werden. Da die Interphasen aufgrund ihrer sehr geringen Ausdehnung von einigen
nm direkten experimentellen Untersuchungen nicht zugänglich sind, übernimmt
eine teilchenbasierte Simulation die Rolle eines Experiments am realen Bauteil.
Als Werkzeug steht die kürzlich entwickelte Capriccio-Methode zur
MD-FE-Kopplung amorpher Systeme zur Verfügung, die im Vorhaben verwendet und
entsprechend angepasst werden soll.

Mit der zu entwickelnden Methodik sollen mechanische Eigenschaften der
Polymer-Partikel-Interphase mittels inverser Paramateridentifizierungen aus
kleinen Systemen mit einem und zwei Nanopartikeln ermittelt und auf große RVE
übertragen werden. Verschiedene Eigenschaften wie beispielsweise die
Partikelgröße und -form oder abweichende grafting densities sollen sich durch
Anwendung der Methodik aus rein teilchenbasierten Betrachtungen in
kontinuumsbasierte Beschreibungen abbilden lassen. Die Behandlung auf der Ebene
von RVE eröffnet dann weitere Möglichkeiten, die Materialbeschreibung auf eine
ingenieurrelevante Ebene zu übertragen und für die Simulation von Bauteilen zu
nutzen.

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Nanocomposites have great potential for various applications since their
properties may be tailored to particular needs. One of the most
challenging fields of research is the investigation of mechanisms in
nanocomposites which improve for instance the fracture toughness even at
very low filler contents. Several failure processes may occur like
crack pinning, bi-furcation, deflections, and separations. Since the
nanofiller size is comparable to the typical dimensions of the monomers
of the polymer chains, processes at the level of atoms and molecules
have to be considered to model the material behaviour properly. In
contrast, a pure particle-based description becomes computationally
prohibitive for system sizes relevant in engineering. To overcome this,
only e.g. the crack tip shall be resolved to the level of atoms or
superatoms in a coarse-graining (CG) approach.

Thus, this project aims to extend the recently developed multiscale
Capriccio method to adaptive particle-based regions moving
within the continuum. With such a tool at hand, only the vicinity of a
crack tip propagating through the material has to be described at CG
resolution, whereas the remaining parts may be treated continuously with
significantly less computational effort.

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Fracture is an inherently multiscale process in which processes at all
length- and timescales can contribute to the dissipation of energy and
thus determine the fracture toughness. While the individual processes
can be studied by specifically adapted simulation methods, the interplay
between these processes can only be studied by using concurrent
multiscale modelling methods. While such methods already exist for
inorganic materials as metals or ceramics, no similar methods
have been established for polymers yet.

The ultimate goal of this postdoc project is to develop a concurrent
multiscale modelling approach to study the interplay and coupling of
process on different length scales (e.g. breaking of covalent bonds,
chain relaxation processes, fibril formation and crazing at
heterogeneities,…) during the fracture of an exemplary thermoset and its
dependence on the (local) degree of cross-linking. In doing so, this
project integrates results as well as the expertise developed in the
other subprojects and complements their information-passing approach.

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Materials such as solid foams, highly-porous cohesive granulates, for
aerogels possess a mode of failure not available to other solids. cracks
may form and propagate even under compressive loads (‘anticracks’,
‘compaction bands’). This can lead to counter-intuitive
modes of failure – for instance, brittle solid foams under compressive
loading may deform in a quasi-plastic manner by gradual accumulation of
damage (uncorrelated cell wall failure), but fail catastrophically under
the same loading conditions once stress concentrations trigger
anticrack propagation which destroys cohesion along a continuous
fracture plane. Even more complex failure patterns may be observed in
cohesive granulates if cohesion is restored over time by
thermodynamically driven processes (sintering, adhesive aging of newly
formed contacts), leading to repeated formation and propagation of zones
of localized damage and complex spatio-temporal patterns as observed in
sandstone, cereal packs, or snow.

We study failure processes associated with volumetric compaction in
porous materials and develop micromechanical models of deformation and
failure in the discrete, porous microstructures. We then make a scale
transition to a continuum model which we parameterise using the discrete
simulation results.

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In previous works, the dependence of
failure mechanisms in composite materials like debonding of the
matrix-fibre interface or fibre breakage have been discussed.  The
underlying model was based on specific cohesive zone elements, whose
macroscopic properties could be derived from DFT. It has been shown that
the dissipated energy could be increased by appropriate choices of
cohesive parameters of the interface as well as aspects of the fibre.
However due to the numerical complexity of applied simulation methods
the crack path had to be fixed a priori. Only recently models allow
computing the full crack properties at macroscopic scale in a
quasi-static scenario by the solution of a single nonlinear variational
inequality for a
given set of material parameters and thus model based optimization of
the fracture properties can be approached.

The goal of the project is to develop an optimization method, in the
framework of which crack properties (e.g. the crack path) can be
optimized in a mathematically rigorous way. Thereby material properties
of matrix, fibre and interfaces should serve as optimization variables.

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Das Ziel dieses
Forschungsvorhabens ist es, mikromechanische Modelle für Gehirngewebe zu
entwickeln, die es ermöglichen, Krankheiten früher zu diagnostizieren und
Behandlungsmethoden zu optimieren. Zunächst wird das mechanische Verhalten von
Gehirngewebe mithilfe innovativer Testmethoden über mehrere Zeit- und
Längenskalen hinweg untersucht. Hierbei wird auch die Mikrostruktur getesteter
Proben analysiert – unter Berücksichtigung zellulärer, aber auch
extrazellulärer Komponenten - um das k…

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In diesem Projekt sollen Biopolymer-Hydrogele hergestellt und mechanisch
charakterisiert werden. Sie dienen als Ersatzmaterialien, um das
hochkomplexe Verhalten weicher biologischer Gewebe zu verstehen und zu
modellieren. Es wird ein Katalog für Ersatzmaterialien für verschiedene
weiche Gewebe entstehen, der die spezifischen Charakteristiken ihrer
mechanischen Antwort mit dem entsprechenden Modellierungsansatz in
Verbindung bringt. Dieser Katalog könnte es in Zukunft wesentlich
erleichtern, geeignete Materialien für den 3D Druck künstlicher Organe
zu wählen oder geeignete Modelle für prognostische Simulationen zu
erstellen.

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Beteiligte Wissenschaftler:

Publikationen: