DFG SPP1681 - Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien
Mehrskalige XFEM-Modellierung magnetosensitiver Materialien unter Nutzung experimenteller Mikrostrukturdaten
Magnetosensitive Materialien sind neuartige Mehrkomponentenwerkstoffe mit interessanten und gezielt einstellbaren Eigenschaften. Derartige Materialien sind in Forschung, Medizin und Technik von großem Interesse. Für den Anwender ist dabei insbesondere das makroskopische Materialverhalten von Bedeutung. Da dieses effektive Verhalten entscheidend von den Materialeigenschaften der einzelnen Komponenten und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund bestimmt wird, erfolgt in diesem Teilprojekt im DFG Schwerpunktprogramm SPP 1681 eine mehrskalige Modellierung magnetosensitiver Materialien, wobei exemplarisch magnetorheologische Elastomere (MRE) betrachtet werden. Auf allen Längenskalen kommt dabei eine kontinuumsbasierte Modellbildung zum Einsatz. Anders als bei diskreten Modellen mit Dipol-Dipolwechselwirkungen ermöglicht die numerische Lösung der magneto-mechanischen Randwertaufgaben auf mikroskopischer Skala die Berechnung lokaler Feldverteilungen.
Die berechneten magnetischen und mechanischen Felder auf der Mikroskala werden in Zusammenarbeit mit experimentell und analytisch arbeitenden Gruppen zur Quantifizierung der magneto-mechanischen Wechselwirkungen herangezogen. Dabei sind die Form der Einschlüsse, deren Lage und Orientierung zueinander sowie die Richtung und Größe der äußeren Belastung zu untersuchende Einflussparameter. Durch den Vergleich numerischer Simulationsrechnungen mit Ergebnissen hochaufgelöster computertomographischer Untersuchungen soll weiterhin ein vertieftes Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen anwendungsrelevanter MRE erreicht werden. Dabei ist neben den magneto-mechanischen Wechselwirkungen auch der innere Demagnetisierungsfaktor heterogener Proben von Interesse. Das Ziel dieses Projekts besteht in der Vorhersage des makroskopischen, gekoppelten magneto-mechanischen Verhaltens von MRE. Dafür werde folgende Arbeitspunkte an der Professur verfolgt:
- Untersuchung des gekoppelten magneto-mechanischen Verhaltens durch aktuatorische Spannungen (siehe Abbildung), magnetostriktive Dehnungen und magnetorheologischen Effekt
- Modellgenerierung heterogener MRE basierend auf mikroskopischen Bilddaten (Computertomographie und konfokale Mikroskopie)
- Vorhersage des effektiven Verhaltens von MRE mithilfe der erweiterten Finiten Elemente Methode (XFEM) unter Berücksichtigung von magnetisch nichtlinearen Materialverhalten bei kleinen Deformationen
- Quantifizierung von Wechselwirkungsparametern
- Analyse zum Demagnetisierungsverhalten von MRE
Effektive aktuatorische Spannungen für nichtlineares (durchgezogene Linien) und lineares magnetisches Materialverhalten (gestrichelte Linien) in Abhängigkeit der makroskopischen Flussdichte mit Verschiebungsfeld u1 (dreifach überhöht dargestellt) für eine magnetische Belastung im Winkel von 45° zur Vorzugsrichtung der Einheitszelle.
Projektmitarbeiter
© TUD/NEFM
Dr.-Ing. Karl Kalina
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Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik
Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik
Besuchsadresse:
Zeunerbau, Zimmer 356 George-Bähr-Straße 3c
01069 Dresden
Projektleitung
© TUD/NEFM
Inhaber der Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik
NameProf. Dr.-Ing. habil. Markus Kästner
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Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik
Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik
Besuchsadresse:
Zeunerbau, Zimmer 352 George-Bähr-Straße 3c
01069 Dresden
Kooperationen
DFG Schwerpunktprogramm SPP 1681
Dr. Günter K. Auernhammer, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz
PD Dr. Andreas Menzel, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Prof. Stefan Odenbach, Technische Universität Dresden
Dr. Andreas Tschöpe, Universität des Saarlandes
Prof. Thomas Wallmersperger, Technische Universität Dresden
Dr. Anja Waske, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e. V.
Publikationen
Artikel in begutachteten Zeitschriften
- K. A. Kalina, P. Metsch, M. Kästner,
Microscale modeling and simulation of magnetorheological elastomers at finite strains: A study on the influence of mechanical preloads
International Journal of Solids and Structures, angenommen, 2016. - P. Metsch, K. A. Kalina, C. Spieler, M. Kästner,
A numerical study on magnetostrictive phenomena in magnetorheological elastomers
Computational Materials Science 124, S. 364-374, 2016. [DOI] - C. Spieler, M. Kästner, V. Ulbricht
Analytic and numeric solution of a magneto-mechanical inclusion problem
Archive of Applied Mechanics 85 (9), S. 1483-1497, 2015 [URL] - S. May, M. Kästner, S. Müller, V. Ulbricht
A hybrid IGAFEM/IGABEM formulation for two-dimensional stationary magnetic and magneto-mechanical field problems
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 273, S. 161-180, 2014 [URL]
Konferenzbeiträge
- K.A. Kalina, P. Metsch, C. Lux, M. Kästner Microscale Modeling and Simulation of Magnetorheological Elastomers at Finite Strains: a Study on the Influence of Mechanical Preloads 14th International Conference on Magnetic Fluids, Jekaterinburg, 2016
- C. Spieler, M. Kästner
Macroscopic magnetostriction of magnetorheological elastomers – extended finite element modeling and simulation
15th German Ferrofluid-Workshop, Rostock, 2015 [Abstract] - C. Spieler, M. Kästner, V. Ulbricht
XFEM modeling of magnetoactive materials
5th European Conference on Computational Mechanics , Barcelona, 2014 [Abstract] - M. Kästner, S. May, S. Müller, V. Ulbricht
Hybrid IGAFEM/IGABEM for two-dimensional magnetic and magneto-mechanical field problems
5th European Conference on Computational Mechanics , Barcelona, 2014 [Abstract] - C. Spieler, M. Kästner, J. Brummund, V. Ulbricht
Finite strain modeling, homogenization and effective behavior of magnetorheological elastomers
2nd Seminar on the Mechanics of Multifunctional Materials, Bad Honnef, 2014 [Abstract] - S. May, M. Kästner, S. Müller, V. Ulbricht
A hybrid IGAFEM/IGABEM formulation for two-dimensional stationary magnetic and magneto-mechanical field problems
22nd ACME Conference on Computational Mechanics, Exeter, 2014 [Abstract] - M. Kästner, C. Spieler, F. Kresinsky, V. Ulbricht
Image-based XFEM modeling and multiscale simulation of magnetosensitive materials
14th German Ferrofluid-Workshop, Ilmenau, 2014 [Abstract] - C. Spieler, P. Metsch, M. Kästner, J. Brummund, V. Ulbricht
Microscopic modeling of magnetorheological elastomers and their macroscopic behavior by applying XFEM
13th German Ferrofluid-Workshop, Benediktbeuern, 2013 [Abstract]