A three dimensional multiscale method for modeling fracture in nanocomposites

The sponsor of this project is the German Research Foundation (DFG).

Supervisor: Prof. Dr.-Ing. Timon Rabczuk
Ph.D. student: Mohammad Silani

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In dem Forschungsvorhaben wird die Entwicklung und Validierung einer dreidimensionale Mehrskalen-methode zur Simulation des Bruchverhaltens von ’Nano-Composites’ vorgestellt. Nano-Composites bestehen aus einer Polymer-Matrix und Bewehrung (aus tom). Die Bewehrung verspricht die mechanischen und thermischen Eigenschaften von ’reinen’ Polymeren deutlich zu verbessern. Es müssen drei Skalen verknüpft werden: die Nano-Skale mit der Mikro-Skale mit Hilfe einer hierarchischen Kopplung und die Mikro-Skale mit der Makro-Skale mit Hilfe einer simultanen (=concurrent) Kopplung, der ’Partition-of-Unity’ angereichterten Arlequin Methode. Um das Bruchverhalten auf der Mikro-Skale und Makro-Skale zu modellieren soll die erweiterte Finite Element Methode (XFEM) verwendet werden. Auf der Nano-Skale sollen Simulationen basierend auf der Molekulardynamik (MD) durchgeführt werden, um die Eingangsparameter (=Materialparameter) auf der Mikro-Skale zu bestimmen. Kohesive Modelle werden auf der Mikro-Skale verwendet, da die Prozesszone in Nano-Composites relativ gross ist. Nach bestem Wissen ist dies der erste Ansatz einer dreidimensionalen Mehrskalenmethode, die 1. mehr als zwei Skalen überbrückt und 2. auf das Bruchverhalten von Polymer-basierten Werkstoffen angewendet wird. Die Methode wird durch Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen validiert. Das letztendliche Ziel ist es ein besseres Verständnis zum Bruchverhalten von Nano-Composites zu erlangen, um makroskopische Stoffgesetze zu verbessern und die Entwicklung solcher Materialien zu unterstützen (Computational Materials Design).