Simulation der Schädigungsevolution in polykristallinen Werkstoffen auf der Grundlage von Modellen der Meso- und Mikroskala

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Im Ingenieurwesen werden Lebensdaueranalysen von Tragstrukturen bisher überwiegend durch numerische Simulationen des Schädigungsverhaltens auf der Bauteilebene (10-1m ¿ 10-3m) unter Anwendung phänomenologischer Modelle der Bruchmechanik durchgeführt. Basierend auf der Definition einer makroskopisch großen Anfangsschädigung sind diese Modelle jedoch nicht in der Lage, die für die Lebensdauer einer Struktur wichtige Phase der Rissinitiierung abzubilden. Rissbeginn und Risswachstum bei unterschiedlichen Beanspruchungen können ohne Erfassung der stark lokalisierten Schädigungsphänomene der Mikrostruktur nicht vorhergesagt werden.Mit dem aktuell beantragten Vorhaben soll ein wichtiger erster Schritt zur Entwicklung eines 3D-Multiskalenmodells erfolgen, welches das Schädigungsverhalten polykristalliner Werkstoffe auf der Makroebene auf wenige klar definierte Vorgänge im Kristallgitter zurückführt. Dazu ist ein Vorgehen in mehreren Schritten geplant:Beschreibung der interkristallinen Bruchvorgänge auf der Mikroebene (10-6m - 10-10m) durch ein 3D Atom-Kontinuumsmodell für konstante Temperaturen T ¿¿0 K , das auf der Grundlage der Quasicontinuumstheorie von Tadmor [1] entwickelt und unter Nutzung von Parallelisierungstechniken umgesetzt wird. Die in technischen Materialien vorliegenden Störungen der Materialstruktur sollen mittels stochastischer Verfahren berücksichtigt werden. Ziel dieses Schrittes ist die realistische Simulation der Mikrorissentstehung entlang der Korngrenzen in polykristallinen Mikrostrukturen.Entwicklung von Homogenisierungsmethoden, mit denen aus den Simulationen am 3D Atom-Kontinuumsmodell die effektiven Materialparameter für ein Coupled Cohesive Zone Model (CCZM) ermittelt werden, welches dann, in dem bereits am ISM entwickelten Kornmodell der Mesoebene (10-3m - 10-6m), das Lösen der Kontakte entlang der Korngrenzen in einem polykristallinen Material beschreibt.Entwicklung eines Materialmodells für die Makroskala, bei dem ein anisotroper Schädigungstensor das makroskopische Schädigungsverhalten derartiger Materialien beschreibt. Die Evolutionsgleichungen des Schädigungstensors sollen aus Simulationen des im Punkt 2 aufgestellten Mesoskalenmodells an repräsentativen Volumenkörpern gewonnen werden.In der ersten Phase des Projekts (3 Jahre), die hier beantragt wird, sollen die Schritte 1. (ohne Störungen der Materialstruktur) und 2. realisiert werden. Es ist derzeit von den Antragstellern geplant, am Ende der ersten Phase in einem weiteren Antrag die Erweiterung des 1. Schrittes um Störungen der Materialstruktur sowie die Umsetzung des 3. Schritts bei der DFG zu beantragen.