Mehrfeldmodellierung und Simulation von faserverstärkten Polymeren

• Antragsteller: Dr.-Ing. Maik Dittmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380995129

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war die Entwicklung von Methoden zur Simulation von Schädigungen in faserverstärkten Polymeren. Für die Simulation von Poylmeren wurden eine erweiterte Kinematik eingeführt, die die gleichzeitige Verwendung von lokalen Schädigungsformen wie der Plastizität und nicht-lokaler Schädigung im Sinne eines Bruchvorgangs ermöglicht. Darauf aufbauend konnten komplexe multiphysikalische Simulationen von thermomechanischem porös-duktilem Bruch durchgeführt werden. Neben vielen Detaillösungen wurde hierfür das interne Zeitintegrationsverfahren so angepasst, dass der deviatorische Anteil exakt erhalten bleibt und damit die Simulationen stabilisiert. Im nächsten Schritt wurde ein neues Modell einer kontinuums-degenerierten Kirchhoff-Love Schale entwickelt, dass den Biegewiderstand von Faserverbünden in einer Polymermatrix berücksichtigt. Daraus konnte ein validiertes Gradientenmodell für Endlosfaser verstärkte Verbundwerkstoffe entwickelt werden, das unabhängig von Faser- und Belastungsrichtung eine korrekte Simulation der Schädigung des Matrix-Materials wie auch der Fasern unter Berücksichtigung thermischer Einflüsse ermöglicht. Die Verwendung höherer Gradientenanteile in der Kinematik konnte ebenfalls für Kurzfaserverbünde, ausgehend von den Biegetermen der klassischen Balkentheorie, gezeigt werden. Im letzten Schritt des Projektes konnten die entwickelten Methoden zur Bruchmechanik auf Kontaktprobleme mit anisotropen und adhäsiven Oberflächen angewendet werden. Damit konnte die Applikation der entwickelten Methoden auf industrielle Problemklassen demonstriert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Variational Phase-Field Formulation of Non-Linear Ductile Fracture. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 342:71-94, 2018
  M. Dittmann, F. Aldakheel, J. Schulte, P. Wriggers and C. Hesch
  
• Variational modeling of thermomechanical fracture and anisotropic frictional mortar contact problems with adhesion. Computational Mechanics, 63(3):571-591, 2019
  M. Dittmann, M. Krüger, F. Schmidt, S. Schuß and C. Hesch
  
• Isogeometric analysis of fiber reinforced composites using Kirchhoff-Love shell elements. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 362:112845, 2020
  J. Schulte, M. Dittmann, S.R. Eugster, S. Hesch, T. Reinicke, F. dell’Isola and C. Hesch
  
• Phase-field modeling of porous-ductile fracture in non-linear thermo-elasto-plastic solids. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 361:112730, 2020
  M. Dittmann, F. Aldakheel, J. Schulte, F. Schmidt, M. Krüger, P. Wriggers and C. Hesch
  
• A strain-gradient formulation for fiber reinforced polymers: Hybrid phase-field model for porous-ductile fracture. Computational Mechanics, 67:1747–1768, 2021
  M. Dittmann, J. Schulte, F. Schmidt and C. Hesch
  
• Multidimensional coupling: A variationally consistent approach to fiber-reinforced material. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 382:113869, 2021
  U. Khristenko, S. Schuß, M. Krüger, F. Schmidt, B. Wohlmuth and C. Hesch