Molekulare Mechanik und Multiskalen-Modellierung

Überblick


Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf der Untersuchung des mechanischen Verhaltens von hierarchisch strukturierten Bio- und biomimetischen Materialien. Das Ziel ist, einzigartige mechanische Eigenschaften auf makroskopischem Level unter Verwendung eines numerischen Bottom-up-Ansatzes zu verstehen. Dieser Ansatz beginnt auf atomarer Ebene, auf der die Strukturen und Eigenschaften jeder Komponente bzw. Baueinheit unter Belastung und bei Versagen untersucht werden. Es wird ein Zusammenhang zwischen dem mechanischen Verhalten des Materials auf Nanoebene und den makroskopischen mechanischen Eigenschaften hergestellt.

Für unsere Forschungsarbeit wird auf Nanoebene hauptsächlich die Technik der klassischen Molekulardynamik (MD) und auf makroskopischer Ebene die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet.

Kombinierte MD - PFM Bruchsimulation


Bruchmechanik ist seit dem 19. Jahrhundert ein Gebiet, das mit umfangreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen erforscht wird. Trotzdem ist die Multiskalen-Modellierung des Bruchs in der Literatur kaum vorzufinden, besonders für den Nano-Makro-Übergang.

Hier wird eine neuartige gekoppelte Methode für Sprödbruch vorgestellt, welche für sehr spröde Materialien, insbesondere Aragonit-Kristalle (Perlmutt), geeignet ist. Es bietet eine effiziente und präzise Ermittlung der Parameter des Bruchphänomens sowie deren Verständnis. In diesem Sinn finden die physikalisch motivierten MD-Simulationen für die Rissmodellierung auf der Nano-Skala statt, während eine makroskopische Modellierung des Bruchs mit der diffusen Phasenfeldmodellierung (PFM) durchgeführt wird. Eine Verbindung zwischen den beiden Modellsystemen wird durch das Einbinden der aus den atomistischen MD-Simulationen erhaltenen Parameter in die PFM hergestellt. Somit wird in diesem kombinierten Ansatz eine realistischere Bedeutung und physikalische Schätzung der PFM-Parameter erzielt.

Der vorgeschlagene Berechnungsansatz, der diskrete sowie kontinuumsmechanische Ebenen umfasst, kann die Multiskalen-Modellierung zur Berechnung der verschiedenen Parameter unterstützen, um beispielsweise die Simulation von biologischen Kompositamaterialien oder die Entwicklung neuer Materialien zu vereinfachen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil ; Dr.-Ing. Y. Heider ; M.Sc. C. Hernández

Multiskalenmodellierung von Spinnenabseilfäden


Ein Spinnenabseilfaden besitzt die ungewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit, Dehnbarkeit und Zähigkeit, die einige der besten künstlichen Materialien im Hinblick auf ihre mechanische Leistung übertrifft. Ein Abseilfaden hat eine halbkristalline Struktur bestehend aus einem kristallinen Bereich kurzer Polyalanin-Segmente, die steife β-Faltblatt-Nanokristalle bilden und von einem amorphem glycinreichen Bereich umgeben sind, der die Dehnbarkeit der Faser bereitstellt.


Ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell der Seide wird aufgestellt, das auf der Sekundärstruktur der Seidenfaser der Gartenkreuzspinne  basiert und die Plastizität der β-Faltblatt-Kristalle sowie das viskose Verhalten der amorphen Matrix berücksichtigt. Das Seidenfasermodell zeigt, dass die vorhergesagten mechanischen Eigenschaften mit dem verfügbaren experimentellen Beweis hervorragendend übereinstimmen. Anfangs zufällig in der Seidenfaser verteilte Kristalle ordnen sich selbst während der Verformung neu an und bilden eine lamellenartige Anordnung der Phasen, wodurch sich eine anfängliche Steifheit aufgrund der anfänglichen zufälligen Anordnung und eine hohe Zähigkeit aufgrund der lamellenartigen Anordnung ergibt. Das vorgeschlagene kontinuumsmechanische makroskopische Seidenfasermodell benötigt keine empirischen Parameter und trägt dazu bei, ein besseres Verständnis über die Mechanik der Seidenfaser während der Verformung und über die Quelle der Zähigkeit dieser außergewöhnlichen Faser zu erlangen. Daher ist es ein effizientes Modell für die Konstruktion von Kunstseidenfasern als auch anwendbar auf andere Verbundwerkstoffe.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil

Mechanische Eigenschaften von Perlmutt und seine Bestandteile


Perlmutt, auch als Mutter der Perle bekannt, ist ein organisch-anorganisches Verbundmaterial, dass von einigen Weichtieren als eine innere Mantelschicht produziert wird . In den letzten drei Jahrzehnten waren die Struktur und der Zähigkeitsmechanismus von Perlmutt Gegenstand intensiver Forschung. Dieses Interesse begründet sich in der exzellenten Kombination aus Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit. Perlmutt besteht aus hexagonalen Plättchen aus Aragonit, die in kontinuierlichen parallelen dünnen Schichten angeordnet sind. Die Schichten werden durch Platten einer organischen Matrix getrennt, die aus elastischen Biopolymeren zusammengesetzt sind. Diese Mischung aus spröden Plättchen und der dünnen Schichten aus elastischen Biopolymeren machen das Material stark und widerstandsfähig.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil

Mechanische Eigenschaften von Silikatgelen


Silikat-Aerogele sind nanostrukturierte, hochporöse Festkörper, die, verglichen mit anderen weichen Materialien, besondere mechanische Eigenschaften sowie sehr geringe Dichte aufweisen. In diesem Projekt werden die mechanischen Eigenschaften von Silikat-Aerogelen unter Verwendung von Molekulardynamik (MD) untersucht. Ein Silikat-Aerogel-Modell wurde durch die direkte Expansion von Beta-Cristobalit und einer Reihe von Temperaturbehandlungen erstellt. Die mechanischen Eigenschaften des Silikat-Aerogel-MD-Modellswurden für  einachsigen Zug und Druck wurden. Desweiteren wurden Simulationen mit zyklischer Druckbelastung mit Modellen verschiedener Dichte durchgeführt. Unter großen Dehnungen wurde fast keine Erhohlung der zusammengebrochenen Struktur beobachtet. Das Verhalten ist charakterisiert durch Inelastizitätsphenomene wie zurückbleibende Deformation, Hysterese und den Mullins-Effekt.


Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. Patil

Numerische Modellierung des Gasdetonationsprozesses


Dieses Forschungsvorhaben konzentriert sich auf die Technik der Gasdetonationsumformung, welche das Umformen von komplexen Geometrien mit beispielsweise kleinen Winkeln und Hinterschnitten in kurzen Prozesszeiten ermöglicht. Derzeit werden Simulationen des Umformprozesses von Schalen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt. Diese Simulationen mit 3D-Computermodellen werden mit einer expliziten dynamischen Analyse unter Verwendung des Johnson-Cook-Modells durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen wie z.B. Verformung und Dickenverteilung. Desweiteren ist das Computermodell in der Lage den Schadensbeginn und die Schadensentwicklung korrekt hervorzusagen, welche hauptsächlich auf den sehr hohen Druck oder den Anfangs-offset des Werkstücks im Experiment zurückzuführen sind.


Ansprechpartner: Dr.-Ing. S. P. PatilKaushik Prajapati