Mikrostruktursimulation der mechanischen Deformation von Fasermaterialien

Die Deformation von porösen Natur- und Kunstfasermaterialien unter Zug-, Druck- oder Biegebelastung hängt sehr stark von den geometrischen und mechanischen Eigenschaften der verwendeten Fasern und den Eigenschaften der Faser-Faser-Kontaktstellen ab. In den betrachteten Materialien besitzen die Fasern häufig eine Orientierung, die zu elastisch anisotropen Eigenschaften führt. Um das Materialverhalten beim Herstellungsprozess und im Einsatz vorherzusagen werden in dieser Arbeit Fasernetzwerkmodelle zur Beschreibung der Mikrostruktur verwendet. Im Vergleich zu ähnlichen Verfahren werden sehr komplizierte dreidimensionale Fasernetzwerke mit einem effizienten numerischen Verfahren gelöst. Das Lösungsverfahren basiert auf einer Formulierung der Elastizitätsgleichungen als Integralgleichung vom Lippmann-Schwinger-Typ. Diese Integralgleichungen werden iterativ mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation (FFT) gelöst. Die Anwendung dieser Lösungstechnik auf poröse Medien ist neu. Im Vortrag werden Simulationsergebnisse für verschiedene Fasermaterialien erläutert und diese mit entsprechenden Messungen verglichen. Dabei werden geometrisch und physikalisch nichtlineare Verformungen betrachtet. Mit Hilfe der entwickelten Mikrostruktursimulationstechnik (Softwarepaket FeelMath) lässt sich die Abhängigkeit der makroskopischen Deformationseigenschaften von den Eigenschaften der Einzelfasern und der Faserorientierung analysieren. Damit kann die Anzahl der notwendigen Messungen reduziert werden und die Eigenschaften der Materialien lassen sich für den speziellen Einsatzzweck optimieren. Das vorgestellte Lösungsverfahren ist ebenfalls für nichtporöse Verbundwerkstoffe und zur Lösung von Wärmeleitproblemen in Fasernetzwerken geeignet