Micromechanical material models for polymer composites through advanced numerical simulation techniques

  • Mikromechanische Materialmodellierung von Polymer-Composites mit numerischer Simulation

Al Kassem, Ghayath; Weichert, Dieter (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Anstatt intensive experimentelle Prüftätigkeiten zur Materialcharakterisier-ung durchzuführen, können durch den Einsatz moderner numerischer Simulationsmethoden das Verhalten von neuen mehrphasigen Werkstoffen auf Basis der Mikrostruktur vorausberechnet werden. Eine adäquate Abbildung der werkstofflichen Zusammensetzung ist hierbei notwendig, um reale Phänomene auf mikroskopischer Ebene zu beschreiben, die nicht mit Hilfe von analytischen Modellen abgebildet werden können. Durch die beeindruckende Entwicklung der zur Verfügung stehenden Computerleistung in den letzten Jahren, sind die Möglichkeiten und Anwendungsgebiete der numerischen Simulation in Bezug auf heterogene Werkstoff-Mikrostrukturen signifikant erweitert worden. In der vorliegenden Arbeit wird nun eine Methode vorgestellt, Mikrostrukturen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode abzubilden und akkurat zu beschreiben. Dies beinhaltet sowohl eine Beschreibung der numerischen Homogenisierung, als auch die Anwendung der Methode der repräsentativen Volumenelemente (RVE). Die makroskopischen Eigenschaften von Kunststoff - Verbundwerkstoffen, gefüllt mit kugelförmigen Partikeln und mit Glasfasern, werden durch den Einsatz von RVE und numerischer Simulation berechnet. Ein Schwerpunkt bildete dabei die korrekte Anwendung von geeigneten 3D-Randbedingungen in der numerischen Simulation. Die Ergebnisse werden mit existierenden empirischen und semi-analytischen Modellen, wie Mori-Tanaka und "Double Inclusion", verglichen und diskutiert. Experimente werden an partikel-gefüllten Polymer-Komposites und an der ungefüllten Matrix durchgeführt, um die benötigten Materialeigenschaften für die Simulation zu generieren und die Ergebnisse zu validieren. 3D-periodische und homogene Randbedingungen werden umfassend untersucht, weiter entwickelt und auf die erstellten RVEs angewendet. Ein neuer Ansatz für die Anwendung von periodischen Randbedingungen wird vorgestellt. Verschiedene numerische Homogenisierungsmethoden werden untersucht; isotrop mit partikel-gefüllten Polymer-Komposites und transvers isotrop/orthotrop mit unidirektionalen und beliebig orientierten Kurzfaserkomposites.

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