Materialmodelle für Verbunde Textilverstärkte Duromere, Beton, L. Nasdala, G. Ernst, K.-U. Schröder, R. Rolfes Inhalt Textilverstärkte Duromere Untersuchte Materialien Berechnungsebenen Bruchkriterien Textilverstärkte Duromere
Berechnungsebenen Biaxialgestrick Multiaxialgelege Textilverstärkte Duromere Festigkeitsmodell auf Einzelschichtebene Originalansatz von Puck: Für unidirektionale Schichten Unterscheidung - Faserbruch (Maximalspannungskriterium) - Faserparallelen Zwischenfaserbruch (diskrete Festigkeiten R N, R LT = R NL = R NT ) Modifikationen: Einfaches Parabolisches Kriterium (EPK) (Praktische Vereinfachung und mathematische Stabilisierung) Erweiterung für in Dickenrichtung verstärkte Einzelschichten (Juhasz, 2003) Textilverstärkte Duromere
Nutzbarmachung des Kriteriums von Juhasz Kontinuierliche Festigkeit: Ziel: Mikromechanische Berechnung der Festigkeitsparameter für Zwischenfaserbruch in Abhängigkeit von Maschenfadendichte Maschenfadenorientierung Bruchwinkel θ R R R ( +, ) N ( +, ) NT ( +, ) NL = R ~ = + θ + R ~ (, ) sin ² θ + R ~ z cos ² + sin 2θ + R ~ (, ) z + sin θ + R ~ yz (, ) cosθ + + ( R ~ (, ) + R ~ (, ) ) = R ~ ( +, ) y y ( +, ) xy xz ( +, ) yz sin 2θ Textilverstärkte Duromere Inhalt Beton Einleitung Materialmodell Kopfbolzendübel Beton
Einleitung Stahl-/Stahlbeton-Verbundbauweise: Beton im Druckbereich Stahl in Zugzone Verbundsicherung durch Kopfbolzendübel (KBD) Beton Einleitung Anforderungen an Materialmodelle für Beton: Berücksichtigung zyklischer Belastungen im Rahmen von Lebensdauer-Analysen Erfassung komplexer, mehraxialer Spannungszustände Beton
Materialmodell [Scholz et al., 1995] Mehraxiale Versuche [Scholz et al.,1995] Einaxialer Zug-/Druckversuch (Sinha et al., 1964) Generalisiertes Prandtl-Modell Zyklischer Druckversuch Beton Kopfbolzendübel im Verbundbau Kopfbolzendübel im Versuch Tragmodell [Lungershausen, 1988] Berechnete Verschiebung Berechnete Betonschädigung Beton
Push-Out-Versuch np Dü 50 600 250 250 HE260B 150 150 260 150 200 200 200 600 100 Versuchsaufbau nach EC 4 Modell ohne Reibungsansatz Beton Inhalt - Einleitung - Sauerstoffdiffusions- und -reaktionsvorgänge - Zyklischer Zugversuch - Generalisiertes Materialmodell - Physikalischer Ansatz Kraftfeldansatz Kohlenstoffnanoröhren Elastomere
Einleitung Ziel: Vorhersage des Alterungsverhaltens von Elastomerwerkstoffen mittels numerischer Simulationen Einflussfaktoren: Mechanische Beanspruchungen Temperatur Chemische Beanspruchungen (insbesondere Sauerstoff) Modellierung der Sauerstoffdiffusionsund -reaktionsvorgänge
Berechnung der Sauerstoffdiffusion bei Faserverbunden Reifenkomponenten Längsrichtung Querrichtung Homogenisiertes Material Zyklischer Zugversuch
Zyklischer Zugversuch Simulation Versuch Phänomenologischer Ansatz Simulation Generalisiertes Materialmodell [Kaliske und Rothert (1999), Nasdala (2000), Kaliske, Nasdala, Rothert (2001)]
Elastomerwerkstoffe Ist es möglich die elastischen Potentiale des Kraftfeldansatzes zur Berechnung von inelastischem Materialverhalten einzusetzen? Naturkautschuk (NR) Potentielle Energien des DREIDING-Kraftfeldes Chemische Bindungen: E val = E B Abstandsänderung + E A Biegung + E T Torsion + E I Inversion Physikalische Bindungen: E nb = E vdw Van der Waals-Kräfte + E Q Elektrostatische Kräfte + E hb Wasserstoffbrücken
Neues 4-Knoten-Element Basis: DREIDING- Kraftfeldansatz Nur Verschiebungsfreiheitsgrade Einzelkomponenten: - 3 Normalfedern - 2 Biegefedern - 1 Torsionsfeder 6 Einzelkomponenten des neuen Nanoelements Überlagerungstechnik Test des neuen 4-Knoten-Elements Zugversuch: Materialversagen (Defektgruppe dg2)
Test des neuen 4-Knoten-Elements Torsionsversuch: Verzweigungsproblem (Kein Defekt, dg0) Test des neuen 4-Knoten-Elements Torsionsversuch: Durchschlagproblem (Defektgruppe dg3)
Abstandsänderungsenergie c B Morse E B Morse E B lin D e Linearer Ansatz: c B lin 0 Morse-Ansatz: Gleichgewichtsabstand R e = 1,39 Å Biegepotential Linearer Ansatz: Nichtlinearer Ansatz: Gleichgewichtswinkel θ J 0
Ermittlung eines Gleichgewichtszustands Dynamische Berechnung mit schrittweise reduzierter Dämpfung Zyklischer Zugversuch Dynamische Umordnung von chemischen und physikalischen Bindungen
Zyklischer Zugversuch Softening und Hystereseschleifen Netzabhängige Ergebnisse
Mittelung der Ergebnisse Simulation mit 10 mal 100 Atomen Ergebnis: Elastische Berechnung inelastischer Effekte ist möglich! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!