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:
Skalenübergreifende Modellierung - von der Quanten- zur Kontinuumsmechanik. Ein Finite-Elemente Ansatz.
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…
NanoModel: Multi-scale modeling of nano-structured polymeric materials: from chemistry to materials performance
MOCOPOLY: Multi-scale, Multi-physics Modelling and Computation of magneto-sensitive POLYmeric materials
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…
Diskrete und kontinuierliche Methoden für die Modellierung und Simulation von Polymermaterialien
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 die Untersuchung des Einflusses nanoskali…
Mikroskalige Charakterisierungsmethoden zur Kalibrierung von Stoffgesetzen für Biomaterialien und Kunststoffe
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 Entwicklung…
SFB 814 (C5): Mesoskopische Modellierung und Simulation der Eigenschaften additiv gefertigter metallischer Bauteile
Ziel dieses Teilprojekts ist es, aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen der Teilprojekte B4 und C5 den Einfluss der Bauteilränder auf die resultierende Material/Bauteil-Mesostruktur für pulver- und strahlbasierte additive Fertigungsverfahren von Metallen zu berücksichtigen und die daraus folgenden meso- und makroskopischen mechanischen Eigenschaften modellbasiert zu bestimmen. Das mechanische Verhalten dieser Mesostrukturen und der Einfluss deren unvermeidbarer fertigungsbasierter geometrischer Unsicherheiten soll insbesondere für zellulare Gitterstrukturen numerisch modelliert, verifiziert, quantifiziert und validiert werden.
GRK2423 - P10: Teilprojekt P10 - Configurational Fracture/Surface Mechanics
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.
GRK2423 - P8: Teilprojekt P8 - Fracture in Polymer Composites: Meso to Macro
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.
Identifikation von Interphaseneigenschaften in Nanokompositen
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.
GRK2423 - P6: Teilprojekt P6 - Fracture in Thermoplastics: Discrete-to-Continuum
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.
GRK2423 - P12: Teilprojekt P12 - Postdoctoral Project: Quantum-to-Continuum Model of Thermoset Fracture
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.
GRK2423 - P5: Teilprojekt P5 - Compressive Failure in Porous Materials
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.
FRASCAL: Fractures across Scales: Integrating Mechanics, Materials Science, Mathematics, Chemistry, and Physics/ Skalenübergreifende Bruchvorgänge: Integration von Mechanik, Materialwissenschaften, Mathematik, Chemie und Physik
GRK2423 - P11: Teilprojekt P11 - Fracture Control by Material Optimization
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.
BRAINIACS: BRAIn mechaNIcs ACross Scales: Linking microstructure, mechanics and pathology
Das Ziel diesesForschungsvorhabens ist es, mikromechanische Modelle für Gehirngewebe zuentwickeln, die es ermöglichen, Krankheiten früher zu diagnostizieren undBehandlungsmethoden zu optimieren. Zunächst wird das mechanische Verhalten vonGehirngewebe mithilfe innovativer Testmethoden über mehrere Zeit- undLängenskalen hinweg untersucht. Hierbei wird auch die Mikrostruktur getesteterProben analysiert – unter Berücksichtigung zellulärer, aber auchextrazellulärer Komponenten - um das komple…
Multiscale modeling of nervous tissue: comprehensively linking microstructure, pathology, and mechanics
Novel Biopolymer Hydrogels for Understanding Complex Soft Tissue Biomechanics
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.