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Projekt
Adaptive Netzgenerierung und -verfeinerung auf Polyedern zur Simulation von Sprödbruch in Materialien mit polykristalliner Mikrostruktur
Antragstellerin
Professorin Dr.-Ing. Carolin Birk
Fachliche Zuordnung
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495926269
Dieses Projekt widmet sich der numerischen Modellierung von Sprödbruchvorgängen in Materialien mit polykristalliner Mikrostruktur bei gleichzeitiger Berücksichtigung von intergranularem und transgranularem Rissfortschritt. Derartige Materialien kommen in zahlreichen technischen Anwendungen wie beispielweise in Silizium-Solarzellen zum Einsatz, bei denen die korrekte Vorhersage von Versagensmechanismen unabdingbar ist. Im Rahmen dieses Projektes sollen Methoden zur automatischen Netzgenerierung und -verfeinerung entwickelt, umgesetzt und bewertet werden, die speziell auf die Anforderungen der Schädigungsmodellierung in Festkörpern, die aus polygonalen oder polyedrischen Teilgebieten mit zufälliger Orientierung bestehen, zugeschnitten sind. Besondere Herausforderungen ergeben sich hier daraus, dass Einzelkörner teilweise starke Größenunterschiede aufweisen und dass die Korngrenzen während des Vernetzungsprozesses erhalten bleiben müssen. Außerdem sind in der Nähe der Korngrenzen und innerhalb transgranularer Bruchzonen gegebenenfalls sehr feine Netze erforderlich. Hierzu soll in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus dem Bereich der Geometriemodellierung ein ganzheitlicher Modellierungs-, Vernetzungs- und Verfeinerungsansatz verfolgt werden. Geplant ist die Umsetzung eines hierarchischen "Polytree"-Konzeptes, welches die lokale Verfeinerung unterstützt. Außerdem soll ein innovativer alternativer Verfeinerungsansatz verfolgt werden, bei dem die Verdichtung des Netzes durch Verschieben existierender Knoten erreicht wird, wobei die Konnektivität erhalten bleibt. Für die strukturmechanische Analyse auf den resultierenden hierarchischen Netzen eignet sich die "Scaled Boundary Finite Element Method" (SBFEM), da diese Methode die Ableitung von Steifigkeitsmatrizen polyedrischer Elemente mit beliebig vielen Flächen erlaubt. Unter Berücksichtigung der erläuterten geometrischen Aspekte soll weiterhin ein adaptives Verfahren zur Modellierung von Sprödbruch entwickelt werden, welches sich zur gleichzeitigen Beschreibung von transgranularen und intergranularen Versagensformen eignet. Hierzu soll zunächst ein Vorgehen für den Fall rein mechanischer Beanspruchung auf Grundlage der SBFEM unter Verwendung eines Multi-Phasenfeld-Modells umgesetzt und anschließend für multi-physikalische Schädigungsprozesse wie thermisch induzierten Bruch erweitert werden. In diesem Zusammenhang streben wir auch die Entwicklung von Ansatzfunktionen für polyedrische Gebiete auf Grundlage der SBFEM beziehungsweise deren Erweiterung für multi-physikalische Problemstellungen an. Im Endergebnis soll ein Simulationsverfahren zur Verfügung stehen, das die Vorhersage komplexer Schädigungsprozesse in Materialien mit polykristalliner Mikrostruktur ermöglicht und damit zur Entwicklung robuster und effizienter polytoper Netzgenerierungs- und FE-Analyse-Technologien für Probleme in der Festkörpermechanik beiträgt.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
