Gitter-Monte-Carlo-Modellierung der Erosion durch feste Partikel

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234879941

Die komplexen Wechselwirkungen zwischen den diversen der Erosion (Partikelbasierter Abtrag oder auch das Auftreffen von Wassertropfen sowie schlagartige Oberflächenbelastungen beim Zerplatzen von Kavitationsblasen) zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen bieten große theoretische und experimentelle Herausforderungen. Die Anreicherung von Schädigung und Brüchen in Materialien unter Erosion kann nicht durch ein allgemeingültiges analytisches Gesetz beschrieben werden, da die beteiligten physikalischen Mechanismen stark von den jeweiligen Materialeigenschaften und Erosionsparametern. Gegenwärtig bewährte Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) oder Smoothed-Particle-Hydrodynamics (SPH) können detailliert die Auswirkungen einzelner Einschläge bis hin zu Schadensakkumulation und Kraterbildung beschreiben. Jedoch können aufgrund numerischer Instabilitäten und impraktikabler Rechenzeiten diese Methoden nicht zur Beschreibung von Millionen von Einschlägen verwendet werden.Das Gitter-Monte-Carlo-Modell zur Erosion mittels fester Partikel (LMC-SPE-Modell) wurde als eine Alternative zur Simulation von Erosion über die Möglichkeiten traditioneller Methoden hinaus vorgeschlagen. Dieses Modell basiert auf einer Beschreibung der Einschlags- bzw. Zieloberfläche durch ein kubisches Gitter, wobei jede Gitterzelle ein kleines Materialvolumen beschreibt, welches anfällig für Schädigung, Bruch und letztlich Abtrag sein kann. Dies ist eine vergröberte Beschreibung, wobei eine Gleitkommavariable fa das „Schadensinkrement“ in jeder Gitterzelle beschreibt. Diese Variable beschreibt den Grad der Schädigung der durch Risse, Schädigung sowie Kaltverfestigung usw. entsteht. Diese Erosionsmechanismen werden als Wirkung vieler einfacher Mikroereignisse auf den jeweiligen Gitterzellen dargestellt. Das LMC-SPE-Modell kann den Erosionsverlauf mitsamt der Abhängigkeit der lokalen Rauigkeit und Erosionsrate in Abhängigkeit von Geschwindigkeit, Größe und lokalem Einschlagwinkel der Partikel erfolgreich beschreiben.Das Hauptziel dieses Folgeantrages ist die Weiterentwicklung des LMC-SPE-Modells und die Anwendung auf drei verschiedene Modellsysteme: Erosion durch feste Partikel für ein sprödes Material, Wassertropfenerosion an duktilen Materialien sowie die Erosion durch Kavitation an metallischen Oberflächen. Für all diese Anwendungsfälle wird der Einfluss einzelner Einschläge basierend auf FEM und/oder SPH Methoden beschrieben und zur Entwicklung wahrscheinlichkeitsbasierter Regeln für die Mikroereignisse im entsprechenden LMC-SPE-Modell herangezogen. Daraufhin können Simulationen tausender Einschläge unter Berücksichtigung der sich verändernden Einschlagsbedingungen durchgeführt werden, um die verschiedensten experimentellen Beobachtungen numerisch nachzuvollziehen. Der direkte Vergleich zwischen Simulation und Experiment wird dabei Hinweise zur Beherrschung des Erosionsabtrages in der praktischen Anwendung liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen