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Geometrical Modeling and Numerical Simulation of Heterogeneous Materials

Brands, Dominik LSF

The discretization of the considered body or material by finite elements is a crucial part of the Finite Element Method in addition to the material modeling and the element formulation. Thereby, the treatment of heterogeneous materials is an advanced challenge, because the interfaces between the individual constituents must be taken into account in addition to the free surfaces. In many materials these interfaces exhibit complex geometries, since they are built up in growth and transformation processes. In the present work the numerical analysis of such materials is presented starting from the geometrical construction and ending up with the evaluation of the computational results. The first part is concerned with the simulation of diseased blood vessels and focusses on the reconstruction of patient-specific arterial geometries. The results of two- and three-dimensional finite element simulations show the field of application of the presented method. The consideration of the heterogeneity of modern two-phase steels in the numerical simulation is given in the following part of the present work. Therein the focus is on the application of geometrically simplified structures, which exhibit a similar mechanical response compared to the real microstructure. The applicability of the proposed method is shown in different boundary value problems using a direct micro-macro transition approach.

Bei Simulationen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode spielt neben der Materialmodellierung und Elementformulierung die Diskretisierung des zu untersuchenden Körpers oder Materials durch finite Elemente eine große Rolle. Diese Aufgabe wird erschwert, wenn es sich um heterogene Materialien handelt. Bei diesen müssen zusätzlich zu den äußeren freien Oberflächen die inneren Grenzschichten zwischen den jeweiligen Individuen berücksichtigt werden. In vielen Materialien sind diese Grenzflächen durch Wachstums- oder Umwandlungsprozesse entstanden, können somit auch komplexe Strukturen aufweisen und erschweren die geometrische Beschreibung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit der numerischen Analyse solcher Materialien ausgehend von der Konstruktion der Geometrien bis hin zur Auswertung der Simulationsergebnisse. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von erkrankten Blutgefäßen und geht dort vor allem auf die Rekonstruktion von patienten-spezifischen Arteriengeometrien ein. Die Ergebnisse von zwei- und dreidimensionalen FE-Berechnung verdeutlichen das Einsatzgebiet der vorgestellten Methodik. Die Berücksichtigung der Heterogenität moderner Zweiphasenstähle in der numerischen Simulation wird im anschließenden Teil der Arbeit vorgestellt. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dem Einsatz von geometrisch vereinfachten Ersatzstrukturen, die ein vergleichbares mechanisches Antwortverhalten zur realen Mikrostruktur liefern. Die Anwendbarkeit dieser Methode wird in verschiedenen Randwertproblemen unter Einsatz eines direkten Mikro-Makro Übergangs gezeigt.

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Brands, Dominik: Geometrical Modeling and Numerical Simulation of Heterogeneous Materials. 2012.

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