Kontinuum-thermo-mechanische Ersatzmodelle für Reibkontakt auf atomaren Längenskalen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mikhail Itskov, seit 11/2019
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317743319

Es wird die Entwicklung einer numerischen Mehrskalenmethodik vorgeschlagen, die eine systematische Bestimmung kontinuums-thermo-mechanischer Reibmodelle ermöglicht, welche auf dem zugrunde liegenden atomaren Kontaktverhalten basieren. Motivation dieser Arbeit ist ein Bedarf an effektiven Reibmodellen für das Kontinuum, die numerisch effizient sind und sich leicht hochskalieren lassen, aber dennoch direkt und ausschließlich auf dem zugrunde liegenden atomaren Kontaktverhalten basieren. Der spezielle Fokus liegt dabei auf Gleitkontakt zwischen weichen und harten Festkörpern zwischen denen sich auch ein Medium wie Wasser befinden kann. Unser Ansatz ist eine Erweiterung einer bestehenden, von uns entwickelten Mehrskalenmethodik, welche molekulardynamische (MD) Simulationen verwendet um Konstitutivmodelle zu bestimmen wie sie für Finite-Elemente-Kontaktberechnungen von Grenzschichtsystemen - einschließlich Mehrkomponentensystemen wie beispielsweise 'self-assembled monolayers' und dünner Filme - gebraucht werden. Dieser bestehende Ansatz erlaubt eine systematische Bottom-up-Bestimmung von Kontinuumsmodellen, die eine genau Vorhersage des Normalkontaktverhalten des ursprünglichen molekularen Modells ermöglichen. Die hier vorgeschlagene Arbeit erweitert diese Methodik auf thermische Effekte, um das Tangentialkontaktverhalten während der Gleitreibung richtig abbilden zu können. Die Methodik beinhaltet die Konzeption und Durchführung einer Reihe "virtueller Experimente" mittels MD Simulation sowie die Extraktion geeigneter mechanischer und thermischer Variablen welche für den Informationstransfer auf die Kontinuumsebene gebraucht werden. Basierend auf diesen Experimenten werden dann geeignete Kontinnumsmodelle formuliert, implementiert und in einer Reihe von Testfällen gegenüber dem molekularen Verhalten validiert. Wir beschränken uns dabei auf den Kontakt zwischen Polymeren und kristallinen Festkörpern, bei dem sich nur der Kontakt (nicht aber das Volumen) dissipativ verhält. Die Methodik an sich wird jedoch allgemein formuliert, um später auch andere Materialpaarungen untersuchen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ahmed E. Ismail
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roger A. Sauer, bis 10/2019