Stochastische Partikelmodelle für die Quantifizierung von Zusammenhängen zwischen Strukturkenngrößen und mechanischen Eigenschaften zur Vorhersage des Bruchverhaltens

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238651683

In dem beantragten Projekt werden parametrische Stoffmodelle entwickelt, die in Abhängigkeit der Stoffeigenschaften Zusammenhänge zwischen dispersen Strukturkenngrößen und mechanischen Eigenschaften quantitativ beschreiben. Mit diesem Modellierungsansatz ist somit die Eigenschaftsfunktion nach H. Rumpf verallgemeinert in das Stoffmodell integriert. Das Ziel des Ansatzes besteht darin, die das Bruchverhalten beeinflussenden materialabhängigen Eigenschaftsparameter quantitativ und vollständig getrennt von der (prozessabhängigen) Partikelbeanspruchung zu erfassen. Basierend auf den Daten aus diesem Stoffmodell wird dann das beanspruchungsabhängige Bruchverhalten abgeschätzt (Bruchwahrscheinlichkeiten, Bruchfunktion) und über ein Stoffeigenschaften-Modul im Rahmensystem des SPP 1679 anderen Projekten zur Verfügung gestellt.Zur gezielten Untersuchung der Einflüsse von Stoff- und Struktureigenschaften auf das mechanische Verhalten von Agglomeraten/Aggregaten werden in Kooperation mit der AG Heinrich DEM-Simulationen durchgeführt, wobei die 3D-Struktur durch ein stochastisches 3D-Partikelmodell generiert wird. Das 3D-Partikelmodell erlaubt es, die Struktureigenschaften präzise zu kontrollieren. Dabei sorgen in beliebiger Anzahl realisierbare Replikationen für eine statistisch relevante Datenbasis. Strukturelle Auswertungen von 3D-Bilddaten verschiedener Partikel sichern den Realdatenbezug. In der 1. Förderperiode wurde das mechanische Verhalten von Agglomeraten/Aggregaten bei statischer Belastung untersucht, wobei in einem ersten gemeinsamen Artikel der Einfluss der Primärpartikelgrößenverteilung beispielhaft analysiert wird. In der 2. Förderperiode wird das Verhalten bei dynamischer Belastung untersucht. Die so gewonnenen Erkenntnisse bzgl. Partikelbruch werden zur modellbasierten Beschreibung des Bruchverhaltens und zur Wahl geeigneter parametrischer Stoffmodelle genutzt. Die Stoffmodelle zur aggregierten Stoffbeschreibung werden durch parametrische Familien von multivariaten Wahrscheinlichkeitsverteilungen dargestellt. Diese Verteilungen, die mit Copula-Techniken konstruiert werden, können gleichzeitig mehrere disperse Kenngrößen der Stoffe (z.B. Partikelgröße, Partikelform und Porosität) und mechanische Stoffeigenschaften (z.B. Bruchenergie) beschreiben. Dies ermöglicht es, mechanische Stoffeigenschaften mittels bedingter Verteilungen vorherzusagen. Die Modellierung des Bruchverhaltens durch die Bestimmung von (belastungsabhängigen) Bruchwahrscheinlichkeiten und der dazugehörigen Bruchfunktionen ist ein wichtiger Anknüpfungspunkt an Partnerprojekte aus dem Teilbereich A, für die Partikelbruch relevant ist. In Zusammenarbeit mit dem Z-Projekt des SPP 1679 wird ein Stoffeigenschaften-Modul für das Bruchverhalten entwickelt, das von der AG Schmidt implementiert wird. Dieses "Bruchmodul" ist prozessunabhängig und von verschiedenen Partnergruppen verwendbar.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse