Isogeometric analysis of anisotropic mechanical and electromechanical higher-gradient continua
Creators: name: Witt, Carina Victoria
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2024
Subjects: subject: Isogeometric analysis
subject: Gradient continua
subject: Fibre-reinforced solids
subject: Fibre bending stiffness
subject: Chemo-electro-mechanical coupling
subject: Flexoelectriscity
subject: Bone remodelling
subject: Surface growth
subject: 620
subject: 670
subject: Isogeometrische Analyse
subject: Faserverbundwerkstoff
subject: Mechanische Eigenschaft
subject: Biegesteifigkeit
subject: Simulation
subject: Numerisches Verfahren
subject: Flexoelektrizität
subject: Knochen
subject: Frakturheilung

description: This thesis deals with the modelling and numerical simulation of anisotropic materials whose mechanical, respectively electromechanical behaviour is significantly influenced by their microstructure. From a modelling point of view, generalised continuum approaches are adopted in order to account for these microstructural effects and isogeometric analysis is employed for their numerical treatment. Accordingly, isogeometric analysis is addressed in the first part of this work with special focus on the application to gradient continua. In the second part, a gradient elasticity approach for the modelling and simulation of fibre-reinforced composites is investigated in which the fibre bending stiffness is accounted for by incorporation of the gradient of the fibre vector in the underlying stored energy density function. An isogeometric analysis framework is established for a small strain as well as finite strain setting. In the last part of this thesis, a modelling approach for the gradient-based electromechanical phenomenon flexoelectricity is proposed for the simulation of flexoelectricity-induced bone remodelling processes and microcrack healing in cortical bone. Accordingly, chemo-electro-mechanical coupling is considered and a computational framework which captures flexoelectricity together with anisotropic cell diffusion processes and surface growth is established.
description: Die vorliegende Arbeit behandelt die Modellierung und numerische Simulation von anisotropen Materialien, deren mechanisches bzw. elektromechanisches Verhalten maßgeblich von ihrer Mikrostruktur beeinflusst wird. Um solche mikrostrukturellen Effekte zu berücksichtigen werden generalisierte Kontinuumsansätze sowie die isogeometrische Analyse verwendet. Die isogeometrische Analyse wird im ersten Teil dieser Arbeit mit besonderem Fokus auf ihre Anwendung auf Gradientenkontinua behandelt. Im zweiten Teil wird eine gradientenerweiterte Elastizitätstheorie für die Simulation von faserverstärkten Verbundwerkstoffen untersucht, bei der die Biegesteifigkeit der Fasern durch die Einbeziehung des Gradienten des Faservektors in die zugrunde liegende Energiedichtefunktion berücksichtigt wird. Dabei werden sowohl infinitesimal kleine als auch finite Deformationen untersucht. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Modellierungsansatz für das gradientenbasierte elektromechanische Phänomen der Flexoelektrizität vorgestellt, um flexoelektrisch induzierte Knochenumbauprozesse sowie Heilungsprozesse von Mikrorissen in kortikalem Knochen zu analysieren. Unter Berücksichtigung von chemo-elektro-mechanischer Kopplung wird Flexoelektrizität zusammen mit anisotropen Zelldiffusionsprozessen und Oberflächenwachstum behandelt.
description: Schriftenreihe des Instituts für Mechanik ; 2024,02