Experimentelle Charakterisie­rung und Modellierung

Die Modellierung des inelastischen Materialverhaltens verschiedenster Werkstoffe ist ein zentraler Schwerpunkt der Arbeiten der Professur. Zur Lösung zahlreicher ingenieurtechnischer Aufgabenstellungen hat sich die phänomenologischse Modellierung im Rahmen der Kontinuumsmechanik als zielführend erwiesen. Die spezifischen Eigenschaften eines Materials auf thermische, magnetische, elektrische und mechanische Lasten zu reagieren werden dabei durch entsprechende Stoffgesetze beschrieben und haben entscheidenden Einfluss auf das Strukturverhalten. Die Parameter der Materialmodelle sind in der Regel im Rahmen einer experimentellen Charakterisierung zu ermitteln.

Experimentelle Charakterisierung

Zu Beginn der kontinuumsmechanischen Materialmodellierung besteht die Frage, in welche Material- und Stoffklasse, d.h. Festkörper, Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit Fließspannung, sich der zu modellierende Werkstoff einordnet. Für Wahl eines konkreten Stoffgesetzes ist außerdem eine Klassifizierung des Materialverhaltens in die Kategorien Elastizität, Plastizität, Viskoelastizität und Viskoplastizität zweckmäßig. Wesentliche Kriterien sind dabei Hysteresen und ratenabhängige Effekte.  Um eine derartige Einteilung vornehmen zu können, werden Charakterisierungsexperimente durchgeführt. Zur Feststellung und Quantifizierung ratenabhängiger Eigenschaften eignen sich monotone Versuche verschieden konstanter Verzerrungsraten sowie Relaxationsexperimente. Zusätzlich zu einer Klassifizierung kann die Untersuchung richtungsabhängiger Materialeigenschaften notwendig sein.

Für die Durchführung der Versuche kann auf die Ausstattung der Professur mit Prüf- und Messtechnik zurückgegriffen werden. Der Einfluss örtlich inhomogener Effekte auf die globale Materialantwort macht deren Erfassung und Dokumentation durch den Einsatz flächenhafter Messverfahren erforderlich.

Kontinuumsmechanische Materialmodellierung

Im Anschluss an die experimentelle Charakterisierung erfolgt die eigentliche Modellierung der gemessenen Effekte. Aufbauend auf den Klassifizierungsergebnissen bietet sich zur phänomenologischen Materialmodellierung eine zweistufige Modellierungsstrategie an. Zunächst werden Rheologische Grundmodelle zu einem Gesamtmodell gekoppelt, welches sich in die eingangs identifizierte Material- und Stoffklasse einordnet. Im Anschluss erfolgen die thermodynamisch konsistente dreidimensionale Verallgemeinerung unter Berücksichtigung richtungsabhängiger Materialeigenschaften und die Identifikation der Materialparameter.