Bestimmung effektiver Werkstoffeigenschaften unter Berücksichtigung von gekoppelten Feldproblemen und imperfekten Materialübergängen

Das Promotionsprojektes soll einen Beitrag zur genaueren Analyse von Materialeigenschaften von Kompositstrukturen zu leisten. Komposite haben gegenüber den traditionellen (homogenen) Materialien (Stahl, Aluminium uvm.) die Eigenschaft, dass  sie je nach Anwendungsgebiet infolge der Mehrphasigkeit physikalische Eigenschaften verstärken bzw. verringern (Gewichtsreduzierung, Steifigkeitserhöhung). Zudem ist man in der Lage, diese Eigenschaften durch gezielte Phasenanordnungen innerhalb der Kompositstruktur (unidirektionale Faserverbundstoffe, Laminate) orientierungsabhängig zu verändern. Aufgrund dieser Merkmale werden diese Materialien vor allem für Leichtbauanwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Automobilbau, dem Schienenfahrzegbau, der Energietechnik (Windräder) und anderen Indsutriezweigen zunehmend eingesetzt. Daher ist es von großer Bedeutung, die physikalischen Materialgrößen möglichst genau zu kennen, wozu experimentelle und auch numerische Methoden genutzt werden können. Im Promotionsprojekt sollen die die Materialeigenschaften mittels des numerischen Verfahrens der finiten Elemente (FEM) berechnet werden (virtuelles Prüflabor). Aufgrund der komplexen Geometrie wird ein mikroskopischer Ausschnitt ausgewählt, der für die Kompositbeschreibung repräsentativ ist. Unter Verwendung von Homogenisierungsalgorithmen werden anhand eines solchen repräsentativen Volumenelementes (RVE) makroskopisch homogene Steifigkeitseigenschaften abgeleitet, wozu das RVE speziellen Verformungsbedingungen unterworfen wird. Eine wichtige Bedeutung im physikalischen Modell, speziell bei der Betrachtung von Kompositen, hat der Kontaktbereich der Materialphasen. Stetigkeits- bzw. Unstetigkeitsübergänge von physikalischen Größen auf mikroskopischer Ebene können das Verhalten des Komposits (Zwei-Phasen-Komposit) auf Makroebene entscheidend verändern. Des Weiteren kann es infolge von Herstellungsprozessen dazu kommen, dass sich zwischen den Hauptphasen eine dünne Zwischenphase bildet, die das Gesamtverhalten des Komposits wesentlich beeinflussen kann. Die Berücksichtigung derartiger Phasenübergänge ist ebenfalls Teil des Promotionsprojektes.