Micromechanical material models for polymer composites through advanced numerical simulation techniques

Al Kassem, Ghayath; Weichert, Dieter

doi:3230

Micromechanical material models for polymer composites through advanced numerical simulation techniques = Mikromechanische Materialmodellierung von Polymer-Composites mit numerischer Simulation

Al Kassem, Ghayath (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ghayath Al Kassem

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang141 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Weichert, Dieter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32301
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51389/files/3230.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikromechanik (Genormte SW) ; Direkte numerische Simulation (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Finite-Volumen-Methode (Genormte SW) ; Homogenisierung <Mathematik> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Homogenisierung (frei) ; RVE (frei) ; Materialmodellierung (frei) ; Polymere (frei) ; micromechanics (frei) ; FEM material modeling (frei) ; fiber and particle reinforced polymers (frei) ; representative volume element (frei) ; numerical homogenization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Anstatt intensive experimentelle Prüftätigkeiten zur Materialcharakterisier-ung durchzuführen, können durch den Einsatz moderner numerischer Simulationsmethoden das Verhalten von neuen mehrphasigen Werkstoffen auf Basis der Mikrostruktur vorausberechnet werden. Eine adäquate Abbildung der werkstofflichen Zusammensetzung ist hierbei notwendig, um reale Phänomene auf mikroskopischer Ebene zu beschreiben, die nicht mit Hilfe von analytischen Modellen abgebildet werden können. Durch die beeindruckende Entwicklung der zur Verfügung stehenden Computerleistung in den letzten Jahren, sind die Möglichkeiten und Anwendungsgebiete der numerischen Simulation in Bezug auf heterogene Werkstoff-Mikrostrukturen signifikant erweitert worden. In der vorliegenden Arbeit wird nun eine Methode vorgestellt, Mikrostrukturen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode abzubilden und akkurat zu beschreiben. Dies beinhaltet sowohl eine Beschreibung der numerischen Homogenisierung, als auch die Anwendung der Methode der repräsentativen Volumenelemente (RVE). Die makroskopischen Eigenschaften von Kunststoff - Verbundwerkstoffen, gefüllt mit kugelförmigen Partikeln und mit Glasfasern, werden durch den Einsatz von RVE und numerischer Simulation berechnet. Ein Schwerpunkt bildete dabei die korrekte Anwendung von geeigneten 3D-Randbedingungen in der numerischen Simulation. Die Ergebnisse werden mit existierenden empirischen und semi-analytischen Modellen, wie Mori-Tanaka und „Double Inclusion“, verglichen und diskutiert. Experimente werden an partikel-gefüllten Polymer-Komposites und an der ungefüllten Matrix durchgeführt, um die benötigten Materialeigenschaften für die Simulation zu generieren und die Ergebnisse zu validieren. 3D-periodische und homogene Randbedingungen werden umfassend untersucht, weiter entwickelt und auf die erstellten RVEs angewendet. Ein neuer Ansatz für die Anwendung von periodischen Randbedingungen wird vorgestellt. Verschiedene numerische Homogenisierungsmethoden werden untersucht; isotrop mit partikel-gefüllten Polymer-Komposites und transvers isotrop/orthotrop mit unidirektionalen und beliebig orientierten Kurzfaserkomposites.

In order to reduce laboratory and experiments expenses, one would try to make predictions of a new material’s behavior and response by numerical simulations, with the chief goal being to speed up the trial and error experimental testing and to be able to simulate real phenomena that occur at the micro level of the composites that cannot be accurately implemented in the existing analytical models. The recent dramatic increase in computational power available for mathematical modeling and simulation raises the possibilities that modern numerical methods can play a significant role in the analysis of heterogeneous microstructures. This fact has motivated the work that will be presented in this work, which focuses on the methodology of building up an appropriate finite element material model describing the microstructure of the composite. It contains numerical homogenization practice and theory, as well as micro structural material modeling by using numerical simulation techniques on representative volume elements (RVEs). This work deals with the determination of macroscopic material properties of polymer composites by meso-mechanical numerical modeling. Focus is laid on the methodology how to build up appropriate representative volume elements (RVE) to describe the microstructure of spherical-particles and fibers reinforced composites and how to apply appropriate 3D boundary conditions. This work includes the comparison of the micro structural simulated FE-models with existing empirical and semi analytical formulations like Mori-Tanaka and the interpolative double inclusion (Lielens’ Model) that are used extensively in material modeling. Material characterization experiments are done on a particle reinforced polymer composite and its unfilled matrix to extract the material properties then compared with numerical homogenization applied on our micro material models. Various conclusions and results are discussed for the ‘know how’ in building the appropriate or preeminent representative material model based on the microstructure of the composite. 3D periodic and homogeneous boundary conditions are comprehensively studied, developed and applied to our RVEs. A new approach and technique is established for the 3D periodic boundary conditions. Different cases of numerical homogenization are examined, the isotropic case assumed for the particle filled composites (spherical inclusions) and the transverse isotropic/Orthotropic cases assumed for the fully-aligned/General-Orientation short-fiber reinforced composites (sphero-cylindrical and cylindrical inclusions).

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