Entwicklung eines adaptiven $FE^{2}$ Ansatzes zur Simulation von thermomechanisch beanspruchten Faser-Matrix-Kompositen

Aachen / Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (2020) [Buch, Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit thematisiert schwerpunktmäßig ein Verfahren zur gekoppelten Homogenisierung heterogener Verbundwerkstoffe welche thermo-mechanisch beansprucht werden. Die Vorteile einer FE2-Methode, wie die Erfassung des Materialverhaltens komplizierter Mikrostrukturen ohne Kenntnis des phänomenologischen Verhaltens, die Kenntnis über detaillierte Vorgänge auf der Mikroebene oder die allgemeine Anwendbarkeit für beliebige Mikrostrukturen sind entscheidend und werden dazu führen, dass das Verfahren in Zukunft stetig wachsende Anwendung findet. Allerdings gibt es zur Zeit noch gravierende Nachteile, die den Einsatz besonders auf Desktop PCs limitieren. Die ausschlaggebenden Faktoren sind hier die hohen Kosten, die die Rechenzeit und die Speicherplatzressourcen betreffen. Die Arbeit versucht diese Mängel zu beseitigen. Dazu werden Indikatoren formuliert, welche in der Lage sind, das nichtlineare Verhalten auf der Materialebene vorauszusagen. Die FE2-Methode ermittelt in jedem Gauß-Punkt effektive Materialparameter über eine begleitende Homogenisierung am repräsentativen Volumenelement (RVE). Den Bereichen einer Struktur, in denen lineares Materialverhalten beobachtet wird, genügt jedoch die Vorabkenntnis der effektiven linearen Materialparameter. Über den Indikator wird festgestellt, ob eine lineare Antwort zu erwarten ist und damit die vorab ermittelten effektive Werkstoffkenn-größen für die Berechnung genügen, oder ob die Mikrostruktur nichtlinear reagiert und damit eine Detailuntersuchung auf der Mikroskala erforderlich ist. Im Rahmen der Arbeit werden zwei Fasertypen unterschieden, zum einen elasto-plastische Fasern und zum anderen Formgedächtnislegierungen. Für beide Materialien werden individuelle Indikatoren formuliert, wobei insbesondere bei der Formgedächtnislegierung die temperaturabhängigen Materialparameter eine entscheidende Rolle einnehmen. Anhand von aussagekräftigen Beispielen wird die Leistungsfähigkeit der neuen adaptiven FE2-Methode aufgezeigt. Am Ende steht ein ganzheitliches, ökonomisches Konzept zur Analyse von komplexen, stark temperaturabhängigen Faser-Matrix-Kompositen mit beliebiger Mikrostruktur. Die Geschwindigkeit des Verfahrens durch die Einsparung vieler Skalenübergänge unterstreicht die Effektivität.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Praster, Maximilian

Gutachterinnen und Gutachter

Klinkel, Sven
Wagner, Werner

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-9460901-08-3
  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-05168

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