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Hüter, Florian ; Wittmann, Johannes ; Kleinschrodt, Claudia ; Alber-Laukant, Bettina ; Rieg, Frank ; Koeck, Kim ; Wicklein, Vanessa ; Scheibel, Thomas:
Strategie zur Modellierung des Steifigkeitsverhaltens partikelverstärkter, nichtlinear-elastischer Gradientenmaterialien.
In: Brökel, Klaus ; Corves, Burkhard ; Grote, Karl-Heinrich ; Lohrengel, Armin ; Müller, Norbert ; Nagarajah, Arun ; Rieg, Frank ; Scharr, Gerhard ; Stelzer, Ralph
(Hrsg.):
Digitalisierung und Produktentwicklung : Vernetzte Entwicklungsumgebungen. -
Bayreuth
: Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD
,
2018
. - S. 120-131
. - (Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik
; 16
)
ISBN 978-3-00-059609-4
Abstract
In vielen technischen und medizinischen Bereichen wächst das Interesse an Materialien mit graduell variierbaren Eigenschaften. Durch die graduelle Anpassung der Materialeigenschaften lassen sich beispielsweise Spannungskonzentrationen an Materialübergängen mit sprunghafter Steifigkeitsänderung vermeiden. Die Finite Elemente Analyse stellt einen geeigneten Ansatz für die mechanische Auslegung derartiger Gradientenmaterialien dar. In diesem Beitrag wird eine Strategie zur Modellierung von graduell partikelverstärkten nichtlinear-elastischen Materialien vorgestellt. Um den hohen Modellierungs- und Rechenaufwand einer direkten numerischen Simulation des Kompositmaterials zu umgehen, wird hier ein Ansatz zur Homogenisierung der Mikrostruktur verfolgt. Das Gradientenmaterial wird auf makroskopischer Ebene als homogener Körper mit graduell variierendem Steifigkeitsverhalten modelliert. Dabei werden die effektiven elastischen Eigenschaften des homogenen Körpers anhand eines Einheitszellenmodells der heterogenen Mikrostruktur des Kompositmaterials bestimmt.
Abstract in weiterer Sprache
The interest in materials with gradually varying properties is growing throughout many technical and medical fields. Due to the gradual adaptation of the material properties, stress concentrations at the transition of two materials with different elastic moduli can be avoided. The Finite Element Analysis provides a suitable approach for the design of these mechanically graded materials. Hence, a modeling strategy for gradually particle-reinforced nonlinear elastic materials is presented in this paper. A homogenization strategy is applied to avoid the high modeling and computational effort of a direct numerical simulation of the composite material.
On the macroscopic scale, the mechanically graded material is modeled as a homogeneous body with gradually varying stiffness behavior. The effective elastic properties of the homogeneous body are determined by means of a unit cell model of the heterogeneous microstructure of the composite material.