Variations-basierte Finite-Elemente-Simulation von Faserverbundwerkstoffen mit biegesteifen Fasern in bewegten thermodynamischen Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Groß
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427519416

In technischer Forschung und Materialwissenschaft wird mehr und mehr die numerische Simulation zur Vorentwicklung eingesetzt, um finanziell- und zeitaufwendige experimentelle Untersuchungen zu reduzieren. Aber gerade bei Verbundwerkstoffen bietet die numerische Simulation die Möglichkeit bedarfsgerechte Werkstoffverbunde simulativ zu ermitteln, bevor die Verbunde physikalisch hergestellt werden. Dadurch kann viel Zeit und hohe Kosten bei der Probenerzeugung eingespart werden, da weniger Varianten produziert werden müssen. Ebenso wird ein Beitrag zur Schonung von Ressourcen und Energie geleistet. Um bedarfsgerechte Werkstoffverbunde mittels der weitverbreiteten Finite-Elemente-Methode zu ermitteln, bedarf es einer möglichst exakten Modellierung der für die betrachtende Belastungs- und Bauteilart notwendigen Phänomene. Bei den für Polymerverbunde typischen dünnwandigen Bauteilen ist eine genaue Beschreibung des Biegeverhaltens in einer numerischen Simulation unbedingt notwendig. Besonders bei dynamischen Belastungen sollen Biegeschwingungen numerisch möglichst exakt vorhersagbar sein, um den umgebenden Bauraum und eine angemessene Befestigung eines Bauteils konstruktiv zu gestalten. Dazu müssen numerische Versteifungseffekte einer Finite-Elemente-Vernetzung vermieden, und physikalische Steifigkeiten eines Materials modelliert werden. Bei faserverstärkten Kunststoffen mit einem überwiegenden Volumenanteil durch biegesteife Fasern ist somit die Betrachtung der Faserbiegesteifigkeit notwendig. Besonders bei dynamischen Belastungen ist auch die Modellierung von Trägheitsveränderungen durch Fasern ein Beitrag zur präziseren Berechnung von Biegeschwingungen. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist somit die Modellierung einer Faserbiegung beziehungsweise einer endlichen Faserstärke innerhalb eines thermodynamischen Rahmens so einzubringen, dass die dynamische Simulation dieses zugrundeliegenden Materialmodells numerisch exakt, numerisch stabil und CPU-Zeit-effizient durchgeführt werden kann. Diese Fähigkeiten besitzen die in diesem Forschungsvorhaben zu entwickelnden energie-impuls-konsistenten Zeitintegrationsalgorithmen mit einer versteifungsfreien Raumdiskretisierung und einer automatischen Zeitschrittweitenregelung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen