Implementierung einer FFT-Methodik für die Berechnung von mikromechanischen FE-Modellen für die Werkstoffsimulation mehrphasiger Kunststoffe

Webseite Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen

Ziel der Arbeit ist es einen FFT-Solver für die Berechnung großer Mikromodelle zu implementieren.

Thema der Arbeit:

Kunststoffe können zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mit einem Füllstoff wie beispielsweise Fasern versetzt werden. In Abhängigkeit des Verarbeitungsverfahrens resultiert in der Mikroebene jedoch eine typische Werkstoffmorphologie, welche die makroskopischen Eigenschaften stark beeinflusst. Für die Vorhersage und Untersuchung dieser Eigenschaften kommen Finite-Elemente Modelle zum Einsatz, welche das Matrixmaterial und die Inklusionen in der Mikroebene abbilden. Die Lösung solcher Modelle mit impliziten Berechnungsverfahren ist jedoch aufgrund der erforderlichen Modellgröße sehr zeit- und kostenintensiv, da diese Lösungsmethoden quadratisch mit den Freiheitsgraden und somit der Elementanzahl des Modells skalieren. Mit der schnellen Fourier-Transformation (FFT) wurde eine mathematische Methode entwickelt, die für diese Problemklasse eine Lösungsmethodik aufzeigt, die nur leicht mit der Elementanzahl des Modells skalieren. Somit können auch für große Modelle mit vertretbarem Zeitaufwand Spannungs- und Verzerrungsanalysen durchgeführt werden.
Mit einer Abschlussarbeit am IKV hast du die Möglichkeit, dir umfassendes Wissen im Bereich der numerischen Problemlösung anzueignen und die damit während deines Studiums erworbenen Kenntnisse praxisrelevant zu implementieren.

Die Arbeit hat Bezug zu diesem Forschungsprojekt:

Die aus dem Fertigungsprozess resultierenden mechanischen Eigenschaften von mehrphasigen Kunststoffen lassen sich aktuell noch nicht vollständig beschreiben. Dies liegt vor allem darin begründet, dass sich die Wechselwirkungen der Konstituenten in der Mikroebene nur schwer experimentell charakterisieren lassen. Die für die Analyse dieser Wechselwirkungen erforderlichen Modelle, lassen sich jedoch nicht in einem vertretbaren Zeitaufwand lösen, sodass einige Effekte wie Materialermüdung oder die Entstehung von Eigenspannungen nur mit einer großen Sicherheit bei der Bauteilentwicklung berücksichtigt werden können. Als Teil der Arbeitsgruppe trägst du zur Erforschung der mechanischen Interaktionen bei und unterstützt somit das IKV den Einsatz von Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff sicher und nachhaltig zu gestalten.

Zielsetzung:

Das Ziel der Projektarbeit ist es, eine Lösungsmethodik zu implementieren, welche die Lösung der konstitutiven Gleichungen für die Nichtlineare Verzerrungs- und Spannungsanalyse mithilfe der FFT ermöglicht. Diese implementierte Lösungsmethodik soll die dabei durch den bestehenden RVE-Generator erzeugte FE-Modelle verarbeiten können. Die Validierung der Ergebnisse soll dabei durch eine Gegenüberstellung der berechneten Spannungs- und Verzerrungswerte mit der konventionellen, impliziten FEM erfolgen.

Deine Aufgabenstellung:

Für eine Bachelorarbeit bearbeitest du folgende Aufgabenstellungen

  • Einarbeitung und Literaturrecherche in die Finite-Elemente- und der FFT-Methode, sowie zu den bereits bestehenden Mikromodellen
  • Recherche und Implementierung einer Lösungsmethodik für Nichtlineares Materialverhalten in ein bereits bestehenden FFT-Solver
  • Validierung der Berechnungsergebnisse für kleine mikromechanische Modelle durch die Gegenüberstellung mit der impliziten FEM

Für eine Masterarbeit bearbeitest du folgende Aufgabenstellungen

  • Einarbeitung und Literaturrecherche in die Finite-Elemente- und der FFT-Methode, sowie zu den bereits bestehenden Mikromodellen
  • Recherche und Implementierung einer Lösungsmethodik für Nichtlineares Materialverhalten in ein bereits bestehenden FFT-Solver
  • Validierung der Berechnungsergebnisse für kleine mikromechanische Modelle durch die Gegenüberstellung mit der impliziten FEM
  • Codeoptimierung für die Berechnung großer Modelle durch Techniken wie Multithreading und Parallelisierung

Dein Profil:

  • Eingeschriebener Student eines MINT-Studienfaches
  • Eigenständige und qualitätsbewusste Arbeitsweise
  • Interesse an Programmieren und Simulation
  • Idealerweise erste Erfahrungen in der Solver Entwicklung

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Dein Ansprechpartner:

Roman Schmohl, M.Sc.
Telefon: +49 241 80-28357
E-Mail: roman.schmohl@ikv.rwth-aachen.de

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