Detailseite
Projekt
Mehrskalige Modellierung magnetosensitiver Materialien unter Nutzung von experimentellen Mikrostrukturdaten
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
Fachliche Zuordnung
Mechanik
Förderung
Förderung von 2013 bis 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237999972
Übergeordnetes Ziel des beantragten Projekts ist die Untersuchung der magnetfeldabhängigen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen magnetoaktiver Materialien durch Modellierung und Simulationen. Dabei steht die mehrskalige Betrachtung von magnetorheologischen Elastomeren (MRE) mit dem Ziel, ausgehend von den Eigenschaften sowie der mikrostrukturellen Anordnung der grundlegenden Komponenten des Verbundmaterials, den magnetisierbaren Partikeln und der polymeren Matrix, das effektive makroskopische Materialverhalten vorherzusagen, im Mittelpunkt des beantragten Projekts. Sowohl auf der Mikro- als auch auf der Makroskala wird eine kontinuumsbasierte, phänomenologische Modellierung verwendet. Diese mehrskalige Betrachtung ermöglicht in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen des Schwerpunktprogramms ein tiefgreifendes Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen magnetischer Hybridmaterialien und daraus ableitbare Aussagen zur Anwendung dieser Werkstoffe in der Sensorik und Aktorik.Durch die entwickelten Methoden zur numerischen Lösung von magneto-mechanischen Homogenisierungsaufgaben mittels der Finite Elemente Methode (FEM), lassen sich auf mikroskopischer Skala beliebige Partikelformen und -verteilungen sowie komplexes nichtlineares Materialverhalten der Konstituenten berücksichtigen. Dabei werden die lokalen magnetischen und mechanischen Feldverteilungen explizit aufgelöst. Die im Allgemeinen inhomogene Magnetisierung der Partikel und die nichtaffine Deformation der umgebenden Matrix lassen sich somit in der Simulation sehr genau abbilden. Das zugeordnete makroskopische Verhalten von MRE folgt aus einem Skalenübergang durch geeignete Mittelungsmethoden. In den bisherigen Förderperioden lag der Schwerpunkt in der Untersuchung der Eigenschaften von MRE mit weichmagnetischen Partikeln und elastischer Matrix. Dabei ist das effektive Verhalten dieser Verbundwerkstoffe frei von Hysteresen, d.h. vollständig reversibel.Das Ziel der dritten Projektphase ist die mehrskalige Untersuchung von MRE mit komplexen mechanischen und magnetischen Hysterese-Effekten, die aus dem viskoelastischen Verhalten der Matrix und dem hartmagnetischen Verhalten der Partikel resultieren. Dazu ist die genaue Charakterisierung des magnetischen und mechanischen Verhaltens von Partikeln und Matrix, das in Zusammenarbeit mit experimentell arbeitenden Gruppen zu bestimmen ist, notwendig. Durch die Kenntnis der Eigenschaften der Konstituenten und detaillierten Informationen der heterogenen Mikrostruktur erfolgt die Vorhersage des effektiven Verhaltens. Anhand der simulierten effektiven Kurven soll die Parametrisierung eines makroskopischen Materialmodells, das die gekoppelten magneto-mechanischen Eigenschaften von MRE beschreibt, erfolgen. Somit wird es möglich, das Verhalten makroskopischer Proben oder Bauteile direkt zu simulieren und die Ergebnisse mit experimentellen Daten abzugleichen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
