Die Simulation des Kollisionsvorgangs erfordert eine Beschreibung des mechanischen Verhaltens der Füllstoffe. Hierzu sollen kontinuumsmechanische Modelle zum Einsatz kommen. Die Materialparameter der zugehörigen konstitutiven Modelle sind in diesem Projekt mit Partikelmethoden zu bestimmen.

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Alexander Düster, Dr.-Ing. Maksym Dosta, Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich

Methoden und Arbeitsprogramm

Um den Simulationsaufwand von Kollisionen gering zu halten, wird ein Ansatz für gekoppelte DEM-FEM Simulationen erarbeitet. Hierfür wird zunächst das verwendete Material mit Hilfe der DEM untersucht. Um den Bruch der Partikel zu ermöglichen, wird die Bonded-Parikel Methode verwendet.

Mit Hilfe experimenteller Daten werden sowohl die benötigten Simulationsparameter ermittelt als auch die verwendeten Modelle validiert. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden im Anschluss verwendet, um die Parameter für Materialmodelle zu ermitteln, die den Partikelbruch bestmöglich abbilden können.

Die Ergebnisse dieser beiden Schritte werden dann genutzt, um DEM-FEM Simulationen zu ermöglichen. Die gekoppelte Simulation wird mit Hilfe bereits durchgeführter Doppelhüllen Modellversuche validiert.

Ergebnisse

Zur Berechnung des Partikelbruchs ist ein neues Bondmodell entwickelt worden, welches die im Material entstehenden Mikrorisse berücksichtigt. Einzel- und Multipartikel Simulationen wurden mit drei verschiedenen Bondmodellen durchgeführt.

Mit Hilfe uniaxialer Drucktests einzelner Partikel kann das Mikroverhalten der Partikel untersucht und simuliert werden. Hierbei ist es besonders wichtig, die Form der Partikel sowie die auftretenden Mikrorisse zu berücksichtigen. Die aus den Einzelpartikel-Simulationen gewonnenen Erkenntnisse könne anschließend zur Simulation von Multipartikel-Systemen verwendet werden.

Mit Hilfe der DEM ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Materials in Einzelpartikel-Simulationen sehr gut abzubilden. Auch Multipartikel Versuche können gut dargestellt werden. Lediglich die Anfangssteifigkeit des Partikelsystems weicht noch leicht von den experimentellen Ergebnissen ab. Darüber hinaus sind bereits erste DEM-FEM Simulationen erfolgreich durchgeführt worden.

Literatur

[1] Schöttelndreyer, M. (2015): Füllstoffe in der Konstruktion: Ein Konzept zur Verstärkung von Schiffsseitenhüllen. Dissertation, Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen, Technische Universität Hamburg-Harburg.

[2] Dosta, M. et al. (2016): Numerical and experimental analysis of influence of granule microstructure on its compression breakage. Powder Technology, 299, S. 87-97.

[3] Woitzik C. und Düster A. (2017): Modelling the material parameter distribution of expanded granules. Granular Matter, 19:52, S.1-12.

[4] Chaudry, M.A., Woitzik C., Düster A. und P. Wriggers (2018): Experimental and numerical characterization of expanded glass granules. Computational Particle Mechanics, 5, S. 297-312. 

[5] Kraus S., Woitzik C.,  Dosta M., Düster A.(2021): Simulation of granular materials with the discrete element method to investigate their suitability as crash-absorber in ship collisions. In: PAMM 21.1 (2021),e202100036. DOI: https://doi.org/10.1002/pamm.20210003

[6] Rotter S., Woitzik C., Tasdemir S., Dosta M., Düster A.(2022): Numerical investigation of the breakage and crash absorbing behavior of granular materials in ship collisions. In: Proceedings of International Conference on Processes in Natural and Technical Particle-Fluid Systems 2022 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg, Heft 54, S. 37-51.

[7] Orth M., Rotter S., Safdar W., Tasdemir S., Pietsch-Braune S., Heinrich S., Düster A. (2023): Fluidized Bed Spray Coating for Improved Mechanical Properties of Particles. In: Processes 11, DOI: 10.3390/pr11020314