Numerische Simulation und energetische Charakterisierung von Betonstrukturen unter Impakt mit diskreter Rissbildung
Final Report Abstract
Im Forschungsvorhaben wurde das Material- und Strukturverhalten von Beton bei Impaktbelastung mittels kontinuumsmechanischer Material- und Rissmodellierung untersucht. Als numerisches Grundkonzept wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) sowohl für die Beschreibung als auch Analyse der Probekörper und Strukturen eingesetzt. Für die Beschreibung der Bruch- und Versagensprozesse wurde die Phasenfeldmethode eingesetzt, um die strukturellen Anforderungen an die Modellvernetzung einfach zu halten. Zudem gestattet diese numerische Methode zur Modellierung von Rissen die Möglichkeit Rissinitiierung, Risswachstum inklusive Rissverzweigung sowie das Nachbruchverhalten zu beschreiben, obwohl weniger Modellannahmen zugrunde liegen als bei anderen bruchmechanischen Modellen. Um die bisherigen Schwächen in dem von der Phasenfeldmethode vorhergesagten Nachbruchverhalten zu lösen, wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens der Directional-Split entwickelt. Dabei wurde das Deformationsverhalten von einem diskreten Rissmodell analysiert und in das Phasenfeldmodell übertragen. An Modellbeispielen und durch den Vergleich von Simulation und Experiment wurde gezeigt, dass mit diesem Modell die fehlerhaften Vorhersagen vorangegangener Phasenfeldformulierungen bei quasi-statischer und dynamischer Beanspruchung bzgl. der Deformationskinematik am Riss gelöst werden. Außerdem wurde elastoplastisches und dehnratenabhängiges Material- und Bruchverhalten für die Phasenfeldmodellierung berücksichtigt. Anschließend wurde der Einfluss dieser Modellerweiterungen auf das Rissverzweigungsverhalten und die Rissbilder untersucht. Zu diesem Zweck wurden Parameterstudien an einer gekerbten Platte bei Zug- und Schubbeanspruchung, am Vierpunkt-Biegezugversuch, am Torsionsversuch, an bewehrten Stützen und am Split-Hopkinson-Pressure-Bar-Versuch durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden teilweise mit den Daten aus Experimenten und teilweise mit Ergebnissen aus anderen Simulationsmodellen verglichen und diskutiert. Weiterhin wurden verschieden Ansätze für die Bestimmung der Rissorientierung untersucht und verglichen. In dem Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass für die untersuchten Probleme realitätsnahe Vorhersagen für die Rissinitiierung, das Risswachstum, die Rissverzweigung und das Nachbruchverhalten mit dem entwickelten Phasenfeldmodell möglich sind. Weiterer Forschungsbedarf besteht für die effiziente Berechnung der Rissnormalen bei nicht-elastischem Materialverhalten, sowie zur Reduktion der Rechenkosten mit der Phasenfeldmethode.
Publications
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Energetically motivated crack orientation vector for phase-field fracture with a directional split. International Journal of Fracture
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