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Multiskalenmechanik

Das mechanische Verhalten von Ingenieurmaterialien wird durch ihre heterogene Mikrostruktur beeinflusst. Auf Grund großer Längenskalenunterschiede ist es meistens nicht möglich diesen Einfluss in Bauteilsimulationen explizit zu erfassen. Daher kommen Multiskalen-Ansätze in der Materialmodellierung zum Einsatz. Die heterogene Mikrostruktur wird auf einer kleinen Längenskala explizit modelliert (innerhalb sogenannter Repräsentativer Volumenelemente) und mit Hilfe numerischer Homogenisierung wird ihr Einfluss auf das makroskopische Materialverhalten in gemittelter Form bestimmt.

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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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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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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Thermo-mechanische FE-Simulation der Abkühlung einer typischen Mesostruktur aus im SEBM-Verfahren gefertigten TiAl6V4 von 1700 C° bis 900 C°. Ausgehend von einem spannungsfreien Zustand sind von links oben nach rechts unten die v.Mises Vergleichspannungen im Temperaturintervall von 1600 C° bis 900 C° exemplarisch dargestellt.

Werden metallische Pulver als Ausgangsmaterial in strahlbasierten Fertigungsverfahren eingesetzt, so ist die resultierende Mesostruktur des erstarrten Materials, d.h. die Geometrie (Gestalt, Größe) der Kristallkörner und deren Orientierung (Textur), stark von der Richtung und Größe des Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront abhängig. Das Ziel dieses Teilprojekts ist die kontinuums-thermo-mechanische Modellierung und Simulation des Materialverhaltens unter Berücksichtigung der prozess-induzierten Mesostruktur. Dazu wird auf der Mesoskala eine gradienten-erweiterte Kristall-Plastizitätsformulierung eingesetzt und die mesoskopischen Größen werden mit Hilfe numerischer Homogenisierung, sowohl für das isotherme Gebrauchsverhalten nach dem Prozess als auch für den Abkühlvorgang während des Prozesses, der in Eigenverzerrungen und zugehörigen Eigenspannungen resultiert, auf die Makroskala transferiert.

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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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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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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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Beteiligte Wissenschaftler: