A2 Identifikation von kontinuumsmechanischen Materialparametern granularer Materialien mit Hilfe von Partikelmethoden

 

Zielsetzung

Granulare Materialien eignen sich als Füllstoffe zur Erhöhung der Kollisionssicherheit von Schiffen. Hierzu wird der Füllstoff in die Doppelhülle der Schiffe verfüllt.

Abbildung 1: Doppelhülle mit Füllstoff

Die Simulation des Kollisionsvorgangs erfordert eine Beschreibung des mechanischen Verhaltens der Füllstoffe. Hierzu sollen kontinuumsmechanische Modelle zum Einsatz kommen. Die Materialparameter der zugehörigen konstitutiven Modelle sind in diesem Projekt mit Partikelmethoden zu bestimmen.

 

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Alexander Düster, Prof. Dr,-Ing. Maksym Dosta

 

Methoden und Arbeitsprogramm

Um den Simulationsaufwand von Kollisionen gering zu halten, wird der Füllstoff mit Hilfe von kontinuumsmechanischen Modellen beschrieben und mit der FEM diskretisiert. Die erforderlichen Materialparameter sind mit Partikelmethoden zur ermitteln. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, eine Vielzahl von unterschiedlichen Partikelsystemen zu untersuchen.

Abbidung 2: FEM-Diskretisierung der Füllstoffe

 

Abbildung 3: DEM-Modellierung; Bestimmung der resultierenden Spannungen für definierte Randbedingungen. Zur Modellierung des Partikelbruchs wird das Bonded Particle Model (BPM) eingesetzt.

Zur Untersuchung der Fragestellung werden verschiedene experimentelle und numerische Methoden kombiniert.

  • Experimentelle Bestimmung der Partikeleigenschaften
    E-Modul, Bruchspannung, Reibungskoeffizient, Restitutionskoeffizient
  • Kontinuumsmechanische Materialmodelle
    nichtassoziiertes Mohr-Coulomb Modell
    hypoplastisches Materialmodell
  • Numerische Simulation
    DEM Simulation von Partikelsystemen
    Identifikation der Materialparameter (inkl. Dämpfung) der Kontinuumsmodelle mit Hilfe der DEM Simulation
    FEM Simulation von granularen Materialien
  • Experimentelle Validierung der Simulation

 

Literatur

[1] Schöttelndreyer, M. (2015): Füllstoffe in der Konstruktion: Ein Konzept zur Verstärkung von Schiffsseitenhüllen. Dissertation, Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen, Technische Universität Hamburg-Harburg.

[2] Dosta, M. et al. (2016): Numerical and experimental analysis of influence of granule microstructure on its compression breakage. Powder Technology, 299, S. 87-97.

[3] Woitzik C. und Düster A. (2017): Modelling the material parameter distribution of expanded granules. Granular Matter, 19:52, S. 1-12.

[4] Chaudry, M.A., Woitzik C., Düster A. und P. Wriggers (2018): Experimental and numerical characterization of expanded glass granules. Computational Particle Mechanics, 5, S. 297-312.