Multiscale multiphysics material modelling
Creators: name: Kaiser, Tobias
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2023
Subjects: subject: Continuum mechanics
subject: Electro-mechanical coupling
subject: Electrical conductors
subject: Electrical resistivity/conductivity
subject: Anisotropic resistivity/conductivity
subject: Micro-cracking
subject: Damage
subject: Interfaces
subject: Cohesive zone formulations
subject: Heterogeneous microstructure
subject: Multiscale modelling
subject: Computational homogenisation
subject: Scale-bridging
subject: Wavelets
subject: FFT-based spectral solver
subject: Generalised continua
subject: Stress gradient theory
subject: Stress gradient elasticity
subject: Strain gradient elasticity
subject: 620
subject: 670
subject: Kontinuumsmechanik
subject: Elektromechanische Eigenschaft
subject: Elektrischer Leiter
subject: Elektrische Leitfähigkeit
subject: Widerstand
subject: Anisotroper Stoff
subject: Rissbildung
subject: Schadensmechanik
subject: Zwischenschicht
subject: Kohäsion
subject: Mikrostruktur
subject: Materialmodellierung
subject: Mehrskalenmodell
subject: Wavelet
subject: Schnelle Fourier-Transformation
subject: Belastung
subject: Dehnung

description: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der skalenübergreifenden Modellierung von Materialien und ist in fünf Abschnitte gegliedert. Der erste Abschnitt beschäftigt sich mit der Entwicklung von computergestützten Mehrskalenansätzen für elektro-mechanisch gekoppelte Probleme elektrisch leitfähiger Materialien bei infinitesimalen und finiten Deformationen. Die Anwendbarkeit dieser Verfahren wird im zweiten Abschnitt unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse untersucht. Angesichts der Komplexität realer Mikrostrukturen liegt der Schwerpunkt im dritten Abschnitt auf der Entwicklung einer Grenzschichtformulierung, um den Einfluss von materiellen Grenzflächen und von Versagensprozessen in diesen auf die effektiven elektrischen Eigenschaften der betrachteten Mikrostruktur in Simulationen abbilden zu können. Die signifikanten Rechenzeit- und Speicheranforderungen, die insbesondere bei Mehrskalenmethoden für gekoppelte Probleme vorliegen, motivieren die Behandlung effizienter Lösungsverfahren unter besonderer Berücksichtigung wavelet- und FFT-basierter Ansätze im vierten Abschnitt der vorliegenden Arbeit. Im abschließenden fünften Abschnitt wird die Spannungs-Gradienten-Theorie als alternativer Ansatz zur Berücksichtigung mikrostruktureller Eigenschaften in makroskopischen Simulationen betrachtet, wobei insbesondere der Einfluss von spannungsfreien Randschichten und damit verbundene Größeneffekte untersucht werden.
description: This contribution focuses on the modelling of materials across multiple length scales and consists of five primary parts. The first part is concerned with the development of electro-mechanically coupled computational multiscale formulations for electrical conductors in small and finite deformation settings. Their applicability is demonstrated in the second part by a detailed comparison with experimental findings. Given the complexity of real microstructures, focus in the third part is laid on the development of a cohesive zone formulation for electrical conductors so as to account for the action of material interfaces and associated failure processes at the microscale. Addressing the severe computational effort of multiscale approaches, fast and efficient solution approaches to microscale boundary value problems are investigated and a hybrid wavelet-FFT approach is proposed in part four. Finally, the stress gradient continuum theory as an alternative approach to account for the underlying material microstructure in macroscopic simulations is discussed in part five with particular focus lying on the simulation of boundary-layer- and associated smaller-is-softer-type size effects.
description: Schriftenreihe des Instituts für Mechanik;2023, 03