Materialmechanik

Dieser Antrag befasst sich mit einem gekoppelten Quantenmechanik (QM) - Kontinuumsmechanik (KM) - Ansatz zur Analyse elektro-elastischer Probleme. Trotz der Anstrengungen, die bereits unternommen wurden um die verschiedenen Modelle zur Beschreibung des Verhaltens von Materie zusammenzuführen, gibt es noch offene Fragen, die weiterer Klärung bedürfen. Zunächst gilt es einen effizienten, auf Finiten Elementen (FE) basierenden Lösungsansatz für die Kohn-Sham (KS) Gleichungen…

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The mechanical response of electronic electro-active polymers (EEAP) under electric loading is influenced both by mechanical and electric properties of the material. Understanding the behavior of EEAP is vital in the development and design of EEAP based actuators and artifical muscles. Despite the fact that applications of EEAP are very promising, until now only a handful of experimental works have been realized to characterize their material properties. Moreover, so far only one-sided coupled models were used to explain experimental data and there exist discrepancies between meausrement, modeling and simulation. In this proposal, first experimental work will be performed to determine the material characteristics of a typical EEAP material then the electro-mechanical coupling phenomenon exhibited by EEAP will be modeled within the frameof hyperelasticity and viscoelasticity. Finally, by using a variational approach, a formulation representing the fully coupled problem will be derived, discretized, linearized and solved by the Finite Element Method in order to simulate the behavior of EEAP. Benchmark simulations will be performed to validate the applicability of the coupled model. Efforts will also be directed to the study of defects of EEAP by the Material Force Method and with the help of some recent developments in the spatial and material setting of nonlinear electro-elasticity. Especially the Material Force Method will be applied in numerical studies of cracked structures made of EEAP.

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This proposal aims at an extension of a recently developed, hybrid MD-FE simulation scheme towards its application to materials dominated by polymer-solid interphases. Only particle-based methods are able to intrinsically resolve microstructure and mechanical behavior of interphases. Therefore, we proceed with the following setup: A coarse-grained MD domain, which contains a single nanoparticle and as much polymer as necessary to ensure bulk behavior at the boundary, is included into a FE do-main. The FE boundary is used to apply various types of deformations and to record the overall stress responses of particle, surrounding interphase and bulk. With these data, the parameters of a purely continuous counterpart to the hybrid setup are iteratively adjusted until it behaves identically. As its main feature, the continuous ersatz-model substitutes the interphase between particle and polymer by an interface governed by a surface energy in the sense of Gibbs. This can be understood as a condensation of micro-scale property profiles within the 3-D interphase into a 2-D continuum mechanical model. Ultimately, after homogenizing the continuous ersatzmodel, macroscopic structure simulations allowing for a due consideration of interphase effects as occurring around nanoparticles are to be realized.

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MOCOPOLY is a careful revision of an AdG2010-proposal that was evaluated above the quality threshold in steps1&2. In the meantime the applicant has made further considerable progress related to the topics of MOCOPOLY. Magneto-sensitive polymers (elastomers) are novel smart materials composed of a rubber-like matrix filled with magneto-active particles. The non-linear elastic characteristics of the matrix combined with the magnetic properties of the particles allow these compounds to deform…

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Im Fokus dieses Vorhabens steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Materialien mit heterogener Faserstruktur (z.B. schaumartige Filterstrukturen oder Dämmungs-materialien aus der Automobilindustrie) unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwi-schen den einzelnen Fasern. Das Problem wird dabei durch die Berücksichtigung der verschie-denen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist.…

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Magneto-sensitive-elastomers are smart materials which are composed of a rubber-like basis matrix filled with magneto-active particles. Due to the highly elastic properties of the rubberlike material, these compounds are able to deform significantly, i.e. geometrically non-linearly by the application of external magnetic fields. The rapid response, the high level of deformations that may be achieved, and the possibility of controlling these deformations by varying an external magnetic field, make…

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Im Fokus dieses Vorhabens steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Materialien mit heterogener Faserstruktur (z.B. schaumartige Filterstrukturen oder Dämmungs-materialien aus der Automobilindustrie) unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwi-schen den einzelnen Fasern. Das Problem wird dabei durch die Berücksichtigung der verschie-denen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist.…

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Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens auf der Methodenseite ist es, eine vom Rechenaufwand handhabbare numerische Methode zu etablieren, die es erlaubt, polymorphe Unsicherheiten in großdimensionierten Problemen (die z.B. im Rahmen der numerischen Analyse der Mikrostruktur heterogener Materialien entstehen) zu erfassen. Dazu wird die Methode auf der einen Seite unscharfe Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Zufallsparameter (die die Geometrie der Mikrostruktur beschreiben) berücksichtigen un…

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The main goal of this proposal is the computational modeling of solvent penetration in glassy polymers. For most engineering applications, Fick s law accurately describes diffusive processes, but one of the applications where it miserably fails is in glassy polymers near the glass transition temperature. In the vicinity of the glass transition temperature, when a low molecular weight solvent diffuses into a glassy polymer, the latter is caused to undergo a rubber-glass phase transition. The diffsive…

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Diffusion, especially when coupled with deformation, is of utmost scientific and technological im-portance in various fields of engineering, materials science, natural sciences and their intersections. Prominent examples are the modelling and simulation of solder joints, micro-structure evolution in advanced materials as used e.g. in modern and future turbine blades produced from single crystals, mineral unmixing in geology, contaminant distribution in environmental systems, and drug transport…

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Das beantragte Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der numerischen Simulation und der Modellierung des Verhaltens von EEAPs (Electronic Electro-Active Polymers) unter dem Einfluss elektrischer Belastungen. Obwohl bereits Arbeiten vorliegen, die das Verhalten von EEAPs prinzipiell beschreiben, bedarf es noch weiterer Anstrengungen um die elektro-thermo-mechanische Wechselwirkung in einem Kontinuumskörper zu modellieren, der einerseits großen Formänderungen unterliegt und andereseits…

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Klassische kontinuierliche Ansätze berücksichtigen die besondere atomare oder molekulare Struktur von Materialien nicht explizit. Somit sind sie für die korrekte Beschreibung hochgradig multiskaliger Phänomene wie beispielsweise Rissausbreitung oder Interphaseneffekte in Polymerwerkstoffen nicht gut geeignet. Um die atomare Auflösungsebene zu integrieren, wurde die „Capriccio“-Methode als eine neuartige Multiskalentechnik entwickelt. Sie wird z.B. für die Untersuchung des Einflusses nanoskali…

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Aussagefähige Bauteilsimulationen erfordern eine quantitativ exakte Kenntnis der Materialeigenschaften. Dabei sind klassische Charakterisierungsmethoden
teilweise aufwendig, in der Variation und Kontrolle der Umgebungsbedingungen anspruchsvoll oder in der räumlichen Auflösung begrenzt. Das Projekt beschäftigt sich
deshalb mit der Ertüchtigung hochauflösender Meßmethoden wie Nanoindentation oder Rastkraftmikroskopie und der komplementierenden Entwicklung…

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Die mechanischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen hängen nicht nur von der chemischen Komposition und den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte,...) ab,
sondern sie variieren teilweise erheblich mit dem verwendeten Aushärteregime und der Temperaturhistorie. Sie sind darüber hinaus vor allem in Verbundsituationen
u.U. sogar ortsabhängig von den Eigenschaften der Kontaktpartner beeinflußt, bilden also Eigenschaftgradienten (sog. Interphasen) aus.
Um diese Effekte bei der Simulation von Bauteilen korrekt abbilden zu können werden im Rahmen des Projektes Modelle entwickelt und erweitert,
die zeit-, orts- und umgebungsabhängige Materialeigenschaften wie Steifigkeitsevolutionen und -gradienten, Aushärteschrumpf und verschiedene Arten von
Inelastizität (Viskoelastizität, Elastoplastizität, Viskoplastizität, Schädigung) berücksichtigen können.

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Die numerische Simulaton von geschichteten Blechpaketen, welche in Elektrischen Antrieben und Transformatoren auftreten, stellt aufgrund des Aufbaus dieser Komponenten eine Herausforderung in der Strukturmechanik dar. Je nach Herstellungsprozess stehen diese Bleche entweder in direktem Reibkontakt zueinander oder werden mit Hilfe von Backlack zusammengehalten. Insbesondere die Zwischenschicht und die Interaktion einzelner Bleche besitzen einen großen Einfluss auf die Struktur und können für ein nichtlineares Deformationsverhalten verwantwortlich sein. In Bezug auf Leistungsfähigkeit und Aufwand besteht das Ziel darin eine Finite-Element Simulation, in der jedes einzelne Blech diskretisiert wird, zu vermeiden, so dass in diesem Projekt auf Methoden der Homogenisierung zurückgegriffen wird, um ein adäquates Ersatzmaterialmodell zu formulieren, welches die spezielle Mikrostruktur dieser Blechpakete berücksichtigt.

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The mechanical properties and the fracture toughness of polymers can be increased by adding silica nanoparticles. This increase is mainly caused by the development of localized shear bands, initiated by the stress concentrations due to the silica particles. Other mechanisms responsible for the observed toughening are debonding of the particles and void growth in the matrix material. The particular mechanisms depend strongly on the structure and chemistry of the polymers and will be analysed for two classes of polymer-silica composites, with highly crosslinked thermosets or with biodegradable nestled fibres (cellulose, aramid) as matrix materials.

The aim of the project is to study the influence of different mesoscopic parameters, as particle volume fraction, on the macroscopic fracture properties of nanoparticle reinforced polymers.

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In a continuum the tendency of pre-existing cracks to propagate through the ambient material is assessed based on the established concept of configurational forces. In practise crack propagation is however prominently affected by the presence and properties of either surfaces and/or interfaces in the material. Here materials exposed to various surface treatments are mentioned, whereby effects of surface tension and crack extension can compete. Likewise, surface tension in inclusion-matrix interfaces can often not be neglected. In a continuum setting the energetics of surfaces/interfaces is captured by separate thermodynamic potentials. Surface potentials in general result in noticeable additions to configurational mechanics. This is particularly true in the realm of fracture mechanics, however its comprehensive theoretical/computational analysis is still lacking.

The project aims in a systematic account of the pertinent surface/interface thermodynamics within the framework of geometrically nonlinear configurational fracture mechanics. The focus is especially on a finite element treatment, i.e. the Material Force Method [6]. The computational consideration of thermodynamic potentials, such as the free energy, that are distributed within surfaces/interfaces is at the same time scientifically challenging and technologically relevant when cracks and their kinetics are studied.

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Kunststoffe spielen in Ingenieuranwendungen eine wichtige Rolle, wobei sie neue Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Materialeigenschaften bieten. Sie bestehen aus langkettigen Polymeren und bieten, zusammen mit z.B. Füllstoffen, ein enormes Potential für maßgeschneiderte Eigenschaften.

Moderne Verfahren erlauben es, Füllstoffpartikel mit typischen Abmessungen von einigen Nanometern herzustellen und in Polymeren zu dispergieren. Selbst bei geringem Volumenanteil können diese sog. Nanofüllstoffe - vermutlich durch das sehr große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen - starken Einfluss auf die Eigenschaften der Kunststoffe haben. Der die Füllstoffpartikel umschließenden Polymer-Partikel-Interphase kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu: wie Versuche zeigen, können bestimmte Nanofüllstoffe z.B. die Ermüdungslebensdauer von Kunststoffen um den Faktor 15 steigern.

Für eine effektive Auslegung solcher Nanokomposite sind häufig aufwändige mechanische Prüfungen erforderlich, die durch Simulationen ergänzt oder ersetzt werden könnten. Die üblicherweise Ingenieuranwendungen zugrunde liegende Kontinuumsmechanik zusammen mit der Finiten Elemente (FE) Methode ist hierfür aber kaum geeignet, da sie die Vorgänge auf molekularer Ebene nicht erfassen kann. Dazu ist z.B. die Molekulardynamik (MD) als teilchenbasiertes Verfahren in der Lage, die aber dafür nur äußerst kleine Systemgrößen und Simulationszeiten erlaubt. Erst die Kopplung beider Ansätze ermöglicht die Simulation realitätsnaher, sog. repräsentativer Volumenelemente (RVE) unter Einbeziehung atomistischer Effekte.

Ziel des über 4 Jahre laufenden Vorhabens ist die Entwicklung einer Methodik, mit der das Materialverhalten der Polymer-Partikel-Interphase in Nanokompositen kontinuumsmechanisch beschrieben kann, wobei die dafür erforderlichen Konstitutivgesetze aus teilchenbasierten Simulationen gewonnen werden. Da die Interphasen aufgrund ihrer sehr geringen Ausdehnung von einigen nm direkten experimentellen Untersuchungen nicht zugänglich sind, übernimmt eine teilchenbasierte Simulation die Rolle eines Experiments am realen Bauteil. Als Werkzeug steht die kürzlich entwickelte Capriccio-Methode zur MD-FE-Kopplung amorpher Systeme zur Verfügung, die im Vorhaben verwendet und entsprechend angepasst werden soll.

Mit der zu entwickelnden Methodik sollen mechanische Eigenschaften der Polymer-Partikel-Interphase mittels inverser Paramateridentifizierungen aus kleinen Systemen mit einem und zwei Nanopartikeln ermittelt und auf große RVE übertragen werden. Verschiedene Eigenschaften wie beispielsweise die Partikelgröße und -form oder abweichende grafting densities sollen sich durch Anwendung der Methodik aus rein teilchenbasierten Betrachtungen in kontinuumsbasierte Beschreibungen abbilden lassen. Die Behandlung auf der Ebene von RVE eröffnet dann weitere Möglichkeiten, die Materialbeschreibung auf eine ingenieurrelevante Ebene zu übertragen und für die Simulation von Bauteilen zu nutzen.

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Nanocomposites have great potential for various applications since their properties may be tailored to particular needs. One of the most challenging fields of research is the investigation of mechanisms in nanocomposites which improve for instance the fracture toughness even at very low filler contents. Several failure processes may occur like crack pinning, bi-furcation, deflections, and separations. Since the nanofiller size is comparable to the typical dimensions of the monomers of the polymer chains, processes at the level of atoms and molecules have to be considered to model the material behaviour properly. In contrast, a pure particle-based description becomes computationally prohibitive for system sizes relevant in engineering. To overcome this, only e.g. the crack tip shall be resolved to the level of atoms or superatoms in a coarse-graining (CG) approach.

Thus, this project aims to extend the recently developed multiscale Capriccio method to adaptive particle-based regions moving within the continuum. With such a tool at hand, only the vicinity of a crack tip propagating through the material has to be described at CG resolution, whereas the remaining parts may be treated continuously with significantly less computational effort.

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Fracture is an inherently multiscale process in which processes at all length- and timescales can contribute to the dissipation of energy and thus determine the fracture toughness. While the individual processes can be studied by specifically adapted simulation methods, the interplay between these processes can only be studied by using concurrent multiscale modelling methods. While such methods already exist for inorganic materials as metals or ceramics, no similar methods have been established for polymers yet.

The ultimate goal of this postdoc project is to develop a concurrent multiscale modelling approach to study the interplay and coupling of process on different length scales (e.g. breaking of covalent bonds, chain relaxation processes, fibril formation and crazing at heterogeneities,…) during the fracture of an exemplary thermoset and its dependence on the (local) degree of cross-linking. In doing so, this project integrates results as well as the expertise developed in the other subprojects and complements their information-passing approach.

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Materials such as solid foams, highly-porous cohesive granulates, for aerogels possess a mode of failure not available to other solids. cracks may form and propagate even under compressive loads (‘anticracks’, ‘compaction bands’). This can lead to counter-intuitive modes of failure – for instance, brittle solid foams under compressive loading may deform in a quasi-plastic manner by gradual accumulation of damage (uncorrelated cell wall failure), but fail catastrophically under the same loading conditions once stress concentrations trigger anticrack propagation which destroys cohesion along a continuous fracture plane. Even more complex failure patterns may be observed in cohesive granulates if cohesion is restored over time by thermodynamically driven processes (sintering, adhesive aging of newly formed contacts), leading to repeated formation and propagation of zones of localized damage and complex spatio-temporal patterns as observed in sandstone, cereal packs, or snow.

We study failure processes associated with volumetric compaction in porous materials and develop micromechanical models of deformation and failure in the discrete, porous microstructures. We then make a scale transition to a continuum model which we parameterise using the discrete simulation results.

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In previous works, the dependence of failure mechanisms in composite materials like debonding of the matrix-fibre interface or fibre breakage have been discussed.  The underlying model was based on specific cohesive zone elements, whose macroscopic properties could be derived from DFT. It has been shown that the dissipated energy could be increased by appropriate choices of cohesive parameters of the interface as well as aspects of the fibre. However due to the numerical complexity of applied simulation methods the crack path had to be fixed a priori. Only recently models allow computing the full crack properties at macroscopic scale in a quasi-static scenario by the solution of a single nonlinear variational inequality for a given set of material parameters and thus model based optimization of the fracture properties can be approached.

The goal of the project is to develop an optimization method, in the framework of which crack properties (e.g. the crack path) can be optimized in a mathematically rigorous way. Thereby material properties of matrix, fibre and interfaces should serve as optimization variables.

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Das Ziel diesesForschungsvorhabens ist es, mikromechanische Modelle für Gehirngewebe zuentwickeln, die es ermöglichen, Krankheiten früher zu diagnostizieren undBehandlungsmethoden zu optimieren. Zunächst wird das mechanische Verhalten vonGehirngewebe mithilfe innovativer Testmethoden über mehrere Zeit- undLängenskalen hinweg untersucht. Hierbei wird auch die Mikrostruktur getesteterProben analysiert – unter Berücksichtigung zellulärer, aber auchextrazellulärer Komponenten - um das komple…

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In diesem Projekt sollen Biopolymer-Hydrogele hergestellt und mechanisch charakterisiert werden. Sie dienen als Ersatzmaterialien, um das hochkomplexe Verhalten weicher biologischer Gewebe zu verstehen und zu modellieren. Es wird ein Katalog für Ersatzmaterialien für verschiedene weiche Gewebe entstehen, der die spezifischen Charakteristiken ihrer mechanischen Antwort mit dem entsprechenden Modellierungsansatz in Verbindung bringt. Dieser Katalog könnte es in Zukunft wesentlich erleichtern, geeignete Materialien für den 3D Druck künstlicher Organe zu wählen oder geeignete Modelle für prognostische Simulationen zu erstellen.

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