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Modeling damage and its influence on material anisotropy and swelling behavior in soft composites = Modellierung von Schädigung und ihrem Einfluss auf Materialanisotropie und Quellverhalten in weichen Verbundwerkstoffen
2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-04-27
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-05267
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1036012/files/1036012.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
constitutive modeling (frei) ; hydrogel swelling (frei) ; hyperelasticity (frei) ; mullins effect (frei) ; multiphysics (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Weiche Materialien wie Elastomere und Hydrogele sind für neue Technologien wie weiche Aktuatoren, Wirkstofffreisetzungssysteme und flexible Sensoren entscheidend. Ihre vielfältigen Mikrostrukturen und komplexen Belastungen führen oft zu inhärenter oder schädigungsinduzierter Anisotropie. Da sie mehrere Skalen umfassen, werden in der theoretischen Modellierung häufig nicht-affine Deformationsmechanismen eingeführt. Dennoch mangelt es an verallgemeinerten, recheneffizienten konstitutiven Modellen zur Erfassung anisotropen Verhaltens. (I) Zur Schließung dieser Lücke wird in dieser Dissertation zunächst die analytische Netzwerkmittelung vorgestellt, die geschlossene kinematische Maße ableitet, um das durchschnittliche Verhalten polymerer Netzwerke zu beschreiben. Das vorgeschlagene Modell erfasst erfolgreich anisotrope Antworten verschiedener weicher Materialien, was durch Vergleich mit experimentellen Daten belegt wird. (II) Für technische Anwendungen wird eine Verstärkung durch Füllstoffe oder zusätzliche Netzwerke genutzt, um mechanische Eigenschaften zu verbessern, was jedoch zu anisotropen Mullins-Effekten führt. Basierend auf mesoskopischen Maßen wird ein anisotropes Schädigungsmodell vorgeschlagen, das das Netzwerk als kontinuierliche Faserverteilung idealisiert. Die gerichtete Schädigung entwickelt sich auf Basis eines energiebasierten Schädigungspotentials mit einer Energiegrenze. Das Modell sagt uniaxiale und biaxiale Reaktionen präzise voraus. Zusätzlich wird zur Erfassung volumetrischer Änderungen, z.B. in Hydrogelen, ein kompressibles anisotropes Modell mittels eines modifizierten Kompressionsmodul-Ansatzes formuliert. (III) Hydrogele sind vielversprechend für stimuli-responsive Bauteile; jedoch ist das Rückquellverhalten nach unvermeidbarer innerer Schädigung noch wenig verstanden. Da Hydrogele Polymer-Lösungsmittel-Gemische sind, wird ein neues theoretisches Rahmenwerk vorgeschlagen, das den „taken-out“-Zustand als Referenzkonfiguration nutzt. Eine schädigungsinduzierte Rückquell-Formulierung wird analytisch hergeleitet. Um komplexe Geometrien und Randbedingungen zu erfassen, wird ein thermodynamisch konsistentes Modell etabliert, das finite Verformung mit Fluidtransport koppelt. Die Finite-Elemente-Implementierung wird durchgeführt und Anwendungsfälle werden simuliert, um den signifikanten Einfluss von Schädigung auf das Rückquellverhalten von Hydrogel-Bauteilen zu zeigen. (IV) Zusammenfassend entwickelt diese Dissertation ein einheitliches anisotropes Schädigungsmodell für weiche Materialien mittels analytischer Netzwerkmittelung. Die Anwendungen umfassen anisotropes Stress-Softening bis hin zu schädigungsinduziertem anisotropem Reswelling. Validierungen mit experimentellen Daten belegen Robustheit, Genauigkeit und Vielseitigkeit des Ansatzes für verschiedene weiche Materialien.Soft materials, such as rubber-like elastomers and hydrogels, are playing increasingly important roles in emerging technologies, such as soft actuators, drug delivery systems, and flexible sensors. However, due to diverse internal microstructures and complex loading histories, these materials often exhibit initial anisotropy or damage-induced anisotropy. Given that soft materials span multiple scales, from micro- to meso- and macroscales, non-affine deformation mechanisms are commonly introduced in theoretical modeling. Despite significant progress, generalized and computationally efficient constitutive models capable of capturing anisotropic behaviors are still limited. (I) To address this gap, this dissertation first reviews the analytical network-averaging homogenization method, which introduces closed-form kinematic measures to represent the average behavior of fibers. The proposed model successfully captures anisotropic responses across a range of soft materials, verified through comparison with experimental data. (II) For engineering applications, reinforcement by fillers or additional networks are used to enhance mechanical properties but introduces anisotropic Mullins effects. Based on mesoscopic measures, an anisotropic damage model is proposed, idealizing the network as a continuous fiber distribution. Directional damage evolves based on an energy-based damage potential with a stored energy limit. The model accurately predicts uniaxial and biaxial responses. Additionally, to capture volumetric changes in materials like hydrogels, a compressible anisotropic model is formulated via a modified bulk modulus approach. (III) Hydrogels exhibit great promise in stimuli-responsive devices; however, the reswelling behavior following unavoidable internal damage remains poorly understood. Considering that hydrogels are inherently polymer-solvent mixtures, a novel theoretical framework is proposed by taking the taken-out state as the reference configuration. A damage-induced reswelling formulation is derived analytically. To further capture complex geometries and boundary conditions, a thermodynamically consistent model coupling finite deformation with fluid transport is established. The finite element implementation is carried out and several application scenarios are simulated to illustrate the significant influence of damage on the reswelling response of hydrogel devices. (IV) In summary, this dissertation develops a unified anisotropic damage model for soft materials based on analytical network-averaging, with applications extending from anisotropic stress-softening phenomena to damage-induced anisotropic reswelling. The proposed models are validated against experimental data, demonstrating the robustness, accuracy, and versatility of the proposed framework across various classes of soft materials.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031480727
Interne Identnummern
RWTH-2026-05267
Datensatz-ID: 1036012
Beteiligte Länder
Germany
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