Impakt mit hoher Geschwindigkeit und Fragmentierung von Beton : numerische Untersuchungen

In this study load-rate dependent behavior of plain concrete has been investigated by means of numerical methods. To accomplish this, a three dimensional explicit Lagrangian finite element program has been developed for the simulation of contact, impact and fragmentation events based on mixed programming approach. In this respect a graphical user interface (GUI) has been developed using C++ programming language to carry out pre- and post-processing tasks. On the other hand, another program has been developed using FORTRAN programming language to carry out finite element computations. Communication in between GUI and FORTRAN program has been established using standard function import/export mechanism. Microplane material model for concrete has been extended to account for large deformations, rate of loading and thermal effects. Stress locking observed under dominant tensile loading has been addressed by proper relaxation of the kinematical constraint. On the other hand mesh dependency, due to softening behavior present, has been tackled by crack-band regularization. Kinematical contact constraints in normal and tangential directions have been formulated in both total and rate forms. Predictor-corrector type algorithm has been employed as method of constraint enforcement. Requirements for the exact satisfaction of constraints have been discussed. Mohr-Coulomb type frictional constitutive behavior is adopted in tangential direction. Classical radial return mapping algorithm, frequently used for elastic-plastic materials, has been used to perform constitutive update in tangential direction. During high velocity contact-impact events, like projectile penetration, motion function loses its regularity around the impact region due to presence of very large deformations. In order to be able to continue simulations staying within Lagrangian framework, such material is simply removed with a technique based on adaptive element deletion. Maximum principal strain has been used as a deletion criterion. Topological data structures have been implemented to keep track of the evolving contact interface during simulations. Furthermore, to accelerate contact search a procedure based on so-called moving contact sphere has been developed. Predictive capability of the numerical techniques proposed has been assessed by comparisons with some relevant experimental results from literature. Main conclusions have been drawn out and future research directions have been recommended.In Rahmen dieser Arbeit wurde das lastrateabhängige Verhalten von Beton numerisch untersucht. In diesem Zusammenhang wurde ein dreidimensionales lagrangesches Finite-Elemente-Programm für die Simulation von Kontakt- und Impaktverhalten sowie Fragmentierung auf Basis von gemischter Programmierung entwickelt. Unter Anwendung der C++ Programmiersprache wurde eine graphische Oberfläche (GUI) für die Durchführung der Pre- und Post-processing-Aufgaben konzipiert. Ein weiteres Programm wurde für die Finite-Elemente-Berechnungen mit FORTRAN Programmiersprache entwickelt. Die Kommunikation zwischen GUI und FORTRAN-Programm fand durch Standardfunktion Import/Export Mechanismus statt. Das Microplane-Modell für Beton wurde erweitert, um die großen Verformungen, die Belastungsrate und die thermischen Effekte zu berücksichtigen. Das bei der überwiegenden Zugbelastung beobachtete „Stress-locking“ wurde durch eine geeignete Relaxation der kinematischen Bindungen vermieden. Die Netzempfindlichkeit, die Aufgrund der „Softening“ (Erweichung) des Betons entsteht, wurde durch Anwendung der Rissbandmethode berücksichtigt. Kinematische Bindungen für Kontakt in normaler und tangentialer Richtung wurden in absoluter und anteilmäßiger Form formuliert. Ein Prädiktor-Korrektor-Algorithmentyp wurde für die Durchsetzung der Bindungen angewendet. Die Bedingungen für die exakte Erfüllung der Bindungen wurden angesprochen. Das konstitutive Reibungsverhalten des Mohr-Coulomb-Types wurde für die tangentiale Richtung angenommen. Der klassische radiale Rückprojektionsalgorithmus, der oft für elastoplastische Materialen angewendet wird, wurde für die Durchführung der konstitutiven Aktualisierung in tangentialer Richtung eingesetzt. Während der Kontakt–Impakt Hochgeschwindigkeitsereignisse, wie z.B. Geschosspenetration, verliert die Bewegungsfunktion ihre Regelmäßigkeit in der Nähe des Impaktbereiches infolge der großen Verformungen. Um die Simulationen in Rahmen des lagrangeschen Verfahrens fortsetzten zu können, wurde dieses Material gelöscht, wobei eine Technik basierend auf der adaptiven Elementlöschung eingesetzt wurde. Die maximalen Zugdehnungen wurden als Löschkriterium verwendet. Topologische Datenstrukturen wurden implementiert, um den Überblick über die entwickelnde Kontaktschnittstelle in Simulationen zu halten. Darüber hinaus wurde ein Verfahren basierend auf der sogenannten beweglichen Kontaktkugel entwickelt, um die Kontaktsuche zu beschleunigen. Die prädiktive Fähigkeit des vorgeschlagenen numerischen Verfahrens wurde durch Vergleich mit einigen relevanten experimentellen Ergebnissen aus der Literatur untersucht. Die wichtigsten Schlussfolgerungen wurden gezogen und künftige Forschungsrichtungen wurden empfohlen