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Computational homogenisation and multiscale modelling employing an image-based approach for the structural analysis of shells
2024
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak03
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-01
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08387
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992740/files/992740.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Homogenisation (frei) ; Homogenisierung (frei) ; Mehrskalenmodellierung (frei) ; RVE Randbedingungen (frei) ; RVE boundary conditions (frei) ; Schalenstrukturen (frei) ; bildbasierte Methoden (frei) ; image-based methods (frei) ; multiscale modelling (frei) ; shell structures (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624
Kurzfassung
Schalenstrukturen stellen effiziente Tragstrukturen dar. In Kombination mit Verbundwerkstoffen können die Struktureigenschaften weiter verbessert werden. Schalenstrukturen aus Verbundwerkstoff finden in verschiedenen technischen Bereichen, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zum Bauwesen, Anwendung und zeichnen sich durch ihre hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig geringem Materialverbrauch aus. Um optimale Designs, insbesondere im Hinblick auf Tragfähigkeit und Brauchbarkeit, zu identifizieren, sind präzise und effiziente Analysemethoden, die das komplexe Materialverhalten von Verbundwerkstoffen berücksichtigen, unerlässlich. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Homogenisierungsmethode erster Ordnung für die Analyse von Schalenstrukturen vorgeschlagen, welche eine detaillierte Beschreibung der Mikrostruktur berücksichtigt. Die Methode ermöglicht die Simulation des Strukturverhaltens auf verschiedenen Längenskalen. Auf diese Weise kann die mikroskopische Morphologie erfasst und zusätzlich eine effiziente Berechnung ermöglicht werden. Obwohl Homogenisierungsmethoden für dreidimensionale Probleme weit verbreitet und eingehend erforscht sind, stellt ihre Anwendung auf Strukturelemente, wie Schalen, nach wie vor eine Herausforderung dar. Insbesondere die homogenisierten Schubsteifigkeiten werden oft nur ungenau erfasst. Der Schwerpunkt liegt auf der Kopplung eines mikroskopischen repräsentativen Volumenelements (RVE) mit der makroskopischen Schalenformulierung. Dazu werden drei verschiedene Randbedingungen für das RVE vorgestellt. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in der Berücksichtigung der makroskopischen Schubverzerrung und stellen unterschiedliche Symmetrieanforderungen an das RVE. Durch die Einführung einer zusätzlichen Randbedingung auf mikroskopischer Skala werden die homogenisierten Schubsteifigkeiten korrigiert. Anhand von linear-elastischen Referenzbeispielen wird die Methode auf mikroskopischer Skala validiert und anhand von Multiskalenbeispielen, welche geometrische und physikalische Nichtlinearitäten berücksichtigen, evaluiert. Im Bauwesen wird die Methode zur Analyse von Schalenstrukturen aus Carbonbeton eingesetzt. Dabei werden bildgebende Verfahren angewendet, um die mikroskopische Struktur möglichst präzise zu erfassen. Ziel der Arbeit ist die Kombination einer numerischen Analysemethode mit einer detaillierten Beschreibung der inneren Struktur, um die Bewertung von neuartigen Fertigungsmethoden und Strukturdesigns zu ermöglichen. Zu den möglichen Anwendungen gehören Schalenstrukturen aus Carbonbeton.Shell structures represent efficient structural systems. Integrating materials with distinct properties, such as composites, can further enhance the structural performance of shells. These composite shell structures find application in various engineering fields, ranging from aerospace to civil engineering, providing a balance between strength and material consumption. Identifying the optimum designs, particularly in terms of load-bearing capacity and suitability, drives the need for accurate and efficient analysis methods accounting for the intricate material behaviour of composites. In the scope of this work, a first-order homogenisation method for the analysis of shell structures, taking into account a detailed description of the microstructure, is proposed. The method allows the simulation of the structural behaviour at different length scales within a single framework. Thus, providing an approach able to capture the microscopic morphology while being computationally efficient. Although homogenisation methods are widely used and thoroughly investigated for three-dimensional problems, their application to structural elements, such as shells, still poses challenges. Specifically, assessing the homogenised shear stiffness often yields inaccurate results. The main focus is on the coupling of the microscopic representative volume element (RVE) to the macroscopic shell formulation. For this purpose, three different boundary conditions for the RVE are presented. These differ mainly in the treatment of the macroscopic shear strain and impose different symmetry requirements on the RVE. Introducing an additional constraint at the microscopic scale corrects the homogenised shear stiffness components. Using linear-elastic benchmark examples, the approach is validated at the microscopic scale and further evaluated using multiscale examples, including geometrical and physical nonlinearities. In the context of civil engineering, the proposed method is applied to examine carbon reinforced concrete shell structures. Image-based methods are used to capture the microscopic structure with high accuracy. The aim of this work is to combine a numerical analysis method with an accurate internal description to allow for the evaluation of novel production techniques and structural designs of, but not limited to, carbon-reinforced concrete shell structures.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030848922
Interne Identnummern
RWTH-2024-08387
Datensatz-ID: 992740
Beteiligte Länder
Germany
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