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A two-scale homogenization scheme for the prediction of magneto-electric product properties

Labusch, Matthias

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den theoretischen Grundlagen mechanisch vermittelter magneto-elektrischer opplungseigenschaften und Simulationen von Kompositmaterialien im Rahmen der Finiten Elemente Methode. Da magneto- und elektro-mechanisch koppelnde Materialien in vielen technischen Bauteilen Anwendung finden und das Anwendungsfeld durch magneto-elektrische Kopplungen verbessert und erweitert werden kann, ist in den letzten Jahrzehnten das Interesse an solchen Materialien stark angestiegen. Ziel dieser Arbeit ist es, mikroskopisch motivierte Materialmodelle zu entwickeln um das experimentell gemessene magneto-elektrische Kopplungsverhalten von Zwei-Phasen-Kompositen so exakt wie möglich widerzuspiegeln. Da diese effektiven Eigenschaften nicht nur stark von der Morphologie der Mikrostruktur abhängen sondern ebenfalls daraus resultieren, werden die Materialmodelle im Rahmen eines multiskalen Homogenisierungsverfahrens, der sogenannten FE^2-Methode, implementiert. Die durchgeführten numerischen Beispiele zeigen die Genauigkeit der verwendeten unterschiedlichen Modelle. Weiterhin wird gezeigt, dass zusätzliche Störungen, wie beispielsweise eine erhöhte Porosität des Komposites, die magneto-elektrischen Eigenschaften stark beeinflussen können.

The present work focuses on the theoretical basics of mechanically coupled magneto-electric properties and the simulation of composite materials in the framework of the Finite Element Method. Since magneto- and electro-mechanically coupled materials find applications in many technical devices and their fields of application could be improved and extended through the magneto-electric coupling, the interest in such materials has increased in the last decades. The goal of this work is the development of microscopically motivated material models in order to reflect the experimentally measured magneto-electric coupling behavior of two-phase composites as precisely as possible. Since the effective properties not only significantly depend on the morphology of the underlying microstructure, but also result from it, the material models were implemented in the framework of a multiscale homogenization scheme, the so-called FE$^2$-method. The performed numerical examples demonstrate the accuracy of the different models used. Furthermore, it is shown that additional defects, such as an increased porosity of the composite, substantially influence the magneto-electric properties.

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Labusch, Matthias: A two-scale homogenization scheme for the prediction of magneto-electric product properties. 2018.

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