Gekoppelte Peridynamik-Finite-Elemente-Simulationen zur Schädigungsanalyse von Faserverbundstrukturen

Für den Entwurf, die Bewertung und die Zulassung von sicherheitsrelevanten Leichtbaustrukturen ist die Vorhersage des Schädigungsverhaltens und der Restfestigkeit im Rahmen einer Schadens-toleranzbewertung ausschlaggebend. Für Faserverbundwerkstoffe (FVW) fehlen bisher hinreichend genaue und robuste Methoden zur Bewertung einer progressiven Schädigung. Die wesentliche Herausforderung für eine Analyse von FVW-Strukturen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen besteht in der Heterogenität der FVW, die zu komplexen Versagensmechanismen führt. Eine Simulationsmethodik zur Festigkeitsbewertung muß daher sowohl die Schadensinitiierung als auch den Schadensfortschritt einschließlich aller wirkenden Mechanismen und deren Interaktion abbilden können.
Im Rahmen des DFG-Projektes wird das Ziel verfolgt, eine verbesserte Methodik zur Schadensanalyse für FVW zu entwickeln. Dafür wird ein neuer adaptiver Lösungsansatz vorgeschlagen, der aus einer Kopplung der Peridynamik (PD) für potentiell geschädigte Modellbereiche mit der FEM für die ungeschädigten Bereiche besteht. Das Ziel des Projektes ist es, die Vorhersagegenauigkeit des Lasttragverhaltens zu erhöhen und dadurch robustere, sichere und ressourcenschonendere Strukturen entwickeln zu können.
Die PD ist eine vielversprechende nicht-lokale Methode zur Beschreibung der Schädigung und des dynamischen Rißwachstum vor allem in spröden Materialien. Allerdings ist der Rechaufwand extrem hoch, um eine hinreichend genaue Beschreibung des Rißverhaltens zu erreichen. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wird die Peridynamik nur in den Teilgebieten einer Struktur eingesetzt, in denen potentiell Risse auftreten können. Die übrigen Strukturgebiete werden mit Hilfe der klassischen Finite Element Methode (FEM) modelliert. Im Projekt werden geeignete Methoden der Kopplung der PD mit der FEM entwickelt, getestet und bewertet und für die Rißausbreitung eingesetzt. Erste gute Ergebnisse wurden mit der Arlequin Methode und der alternierenden Schwarz-Method erzielt. Die dazu im Projekt entwickelte Software wird gemäß des DFG Ziels zur "Nachhaltigkeit von Forschungssoftware" im Rahmen des Förderprogramms "e-ResearchTechnologien" frei zugänglich gemacht werden (Open Source Software), um eine Weiterverwendung durch andere Forscher zu ermöglichen.

A Coupled Peridynamic-Finite-Element-Simulation for the Damage Analysis of Fibre Reinforced Composits

The prediction of damage behaviour and residual strength as part of a damage tolerance assessment is crucial for the design, evaluation and approval of safety-relevant lightweight structures. For fibre-reinforced composites (FRP), sufficiently precise and robust methods for evaluating progressive damage have been lacking to date. The main challenge for analysing FRP structures in comparison to metallic materials is the heterogeneity of FRPs, which leads to complex failure mechanisms. A simulation methodology for strength assessment must therefore be able to depict both the initiation and progression of damage, including all the mechanisms at work and their interaction.

The aim of the DFG project is to develop an improved damage analysis methodology for FRP. For this purpose, a new adaptive solution approach is proposed, which consists of a coupling of the peridynamics (PD) for potentially damaged model areas with the FEM for the undamaged areas. The aim of the project is to increase the prediction accuracy of the load-bearing behaviour and thus to develop more robust, safe and resource-efficient structures.
PD is a promising non-local method for describing damage and dynamic crack growth, especially in brittle materials. However, the computational effort is extremely high in order to achieve a sufficiently accurate description of the crack behaviour. In order to reduce the computational effort, peridynamics is only used in those parts of a structure in which cracks can potentially occur. The remaining structural areas are modelled using the classical finite element method (FEM). In the project, suitable methods for coupling the PD with the FEM are developed, tested and evaluated and used for crack propagation. Initial good results were achieved with the Arlequin method and the alternating Schwarz method. The software developed in the project will be made freely available (open source software) in accordance with the DFG goal of "sustainability of research software" as part of the "e-Research Technologies" funding programme in order to enable further use by other researchers.