Großmaßstäbliche mikromechanische 3D-Modelle zur Schädigungssimulation in heterogenen Werkstoffen

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Schädigungsprozesse bestimmen maßgeblich die Lebensdauer von Ingenieurkonstruktionen. Initiale Schädigungen, die im Verlauf der Lebensdauer eines Tragwerks akkumulieren, treten bei technisch hergestellten Werkstoffen oftmals schon während des Fertigungsprozesses auf. Insbesondere bei heterogenen Werkstoffen ist die Berücksichtigung der einzelnen Phasen auf der Mikroskala und ihrer jeweiligen physikalischen Eigenschaften von zentraler Bedeutung für qualitativ hochwertige Prognosemodelle des Antwortverhaltens von Werkstoffen und damit Bauteilen und Bauwerken. Ausgehend von hochaufgelösten µCT-Daten sollen Methoden entwickelt werden, die großmaßstäbliche Schädigungssimulationen auf der Mikroebene möglich machen. Die FE-Modellerstellung erfolgt durch die direkte Abbildung von Bilddaten (Pixel- oder Voxelinformation) in 3D Gitterdiskretisierungen. Zur Berücksichtigung von Phasengrenzen sollen spezielle Mehrphasenelemente entwickelt werden. Octree-Methoden dienen der Verringerung der Modellgröße in homogenen Gebieten und effektive iterative matrixfreie und parallele Löser verringern den Speicherbedarf und die Berechnungszeit. Das geplante Vorgehen ermöglicht große Modelle mit mehreren Millionen Freiheitsgraden inkrementell iterativ unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte für verschiedene heterogene Materialien wie z.B. Beton, Metall oder Knochen zu lösen.