Forschung

Zum technischen Einsatz als Dämpfer bzw. als Protektoren benötigt man Materialien, die sich bei Aufbringen einer Belastung verzögert verformen und die Deformationsenergie allmählich abbauen. Für uns ist insbesondere von Interesse, wie sich diese Zeitabhängigkeit bei sehr kurzen, stoßartigen Belastungen manifestiert.

Weiche Elastomere können die bei hohen Dehngeschwindigkeiten entstehenden Schockwellen dissipieren und so den Druckimpuls dämpfen. Wir entwickeln Materialmodelle, die neben der Viskoelastizität auch die lokale Mikrostruktur erfassen. So untersuchen wir z.B. offenzellige Polymerschäume und optimieren ihre Dämpfungseigenschaften.

Feste metallische Mischungen sind inhomogen und bilden Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung, die sich durch Diffusion, Belastungen und elektrische Felder verändern können. Beispiele dafür sind Lotlegierungen in mikroelektronischen Bauteilen und Lithium-Batterienanoden beim Laden und Entladen. Hier helfen numerische Simulationen, die mechanischen Eigenschaften zu prognostizieren und vorzeitiges Versagen zu vermeiden.

Solche Prozesse berechnen wir mittels Phasenfeld-Methoden, wobei die Cahn-Hilliard-Gleichungen der Diffusion mit den Gleichungen für das mechanische, elektrische und/oder Temperaturfeldproblem gekoppelt werden. Die resultierenden Differentialgleichungen 4. Ordnung stellen ob ihrer Struktur und ihrer nichtlinearen Koeffizienten hohe Anforderungen an das numerische Lösungsverfahren. Mit Hilfe isogeometrischer NURBS-Ansätze für die FE-Basisfunktionen resultieren vielversprechende Ergebnisse.

Die numerischen Berechnung von Rissentstehung und -ausbreitung ist derzeit Thema vieler Forschungsarbeiten. Wir nutzen hierfür neben der — inzwischen fast als klassisch zu bezeichnenden Kohäsivelementetechnik — die Phasenfeld-Methode und die Peridynamik.

Phasenfeldmodelle regularisieren das diskontinuierliche Problem der Rissausbreitung und erlauben dadurch effiziente und numerisch stabile Simulationen. Unsere aktuellen Arbeiten beschäftigen sich z.B. mit der Formulierung polykonvexer Materialmodelle für die rissinduzierende
Verzerrungsenergiefunktion, mit genauerer Berechnung durch angepasste lokale Verfeinerung und mit kontinuumsmechanischen Formulierungen in der Peridynamik.

Neben zwei servohydraulischen Zugmaschinen verfügen wir im Labor des Lehrstuhls für Festkörpermechanik über zwei selbstkonstruierte Stabstoßeinrichtungen. Hier werden Versuche zur dynamischen Materialprüfung, insbesondere zum dynamischen Bruch durchgeführt. Dabei haben wir mittlerweile den Versuchsaufbau so optimiert, dass auch für relativ weiche Proben Materialdaten bestimmt werden können. Unsere numerischen Algorithmen zur Berechnung von dynamischem Bruch kommen dabei im Sinne einer inversen Analyse zum Einsatz. Aktuell untersuchen wir beispielsweise offenzellige Gitterstrukturen unter Stoßwellenbelastung.