Micromorphic media : interpretation by homogenisation

In order to develop more and more resource-saving strategies for engineering tasks, the efficient application of cellular materials, such as various open cell foams, is of high interest in science and technology. Strongly influenced by their underlying microtopology, cellular materials feature a complex material behaviour. Modelling aspects to be taken into account are e.g. the deformation induced evolution of anisotropy and porosity on the one hand and the description of size dependent stiff or soft boundary layers, activated by the interaction close to material interfaces, on the other hand. The present contribution is focusing on that second feature by introducing a numerical homogenisation procedure. It allows to replace the heterogeneous microcontinuum by a homogeneous micromorphic macrocontinuum. Doing so, the microstructural deformation mechanisms can be geometrically interpreted as generalised degrees of freedom, which can be transferred on the macroscopic level. In the context of a FE2 strategy, the macroscopic constitutive equations are replaced by the computation of a nested microscopic boundary value problem in each macroscopic material point. The power of the proposed interpretation of the micromorphic degrees of freedom in combination with the numerical homogenisation approach is demonstrated for several microstructures in various numerical experiments validated in comparison to numerical reference calculations.In einer Welt immer knapper werdender Rohstoffe kommt dem ressourcenschonenden Einsatz von anwendungsspezifisch optimierten Materialien eine immer höhere Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund werden zelluläre Materialien wie z.B. offenporige Schäume sowohl im Bereich des konstruktiven Leichtbaus als auch für diverse weitere Anwendungsgebiete eingesetzt. Aufgrund ihrer ausgeprägten Mikrotopologie zeichnen sich diese Materialien durch ein komplexes mechanisches Verhalten aus. Für die Materialmodellierung müssen dabei sowohl die Anisotropie und die Porosität Berücksichtigung finden als auch Maßstabseffekte an Materialgrenzen, die sich in steifen oder weichen Randschichten äußern. Eben diese Maßstabseffekte stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Zu ihrer Modellierung wird das zu Grunde liegende heterogene Mikrokontinuum durch ein homogenes mikromorphes Makrokontinuum ersetzt. Dazu müssen die mikroskopischen Deformationsprozesse einer makroskopischen Interpretation als erweiterte Freiheitsgrade zugeführt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines numerischen Homogenisierungsverfahrens. Die Formulierung einer makroskopischen Konstitutivbeziehung wird umgangen, indem an jeden makroskopischen materiellen Punkt ein mikroskopisches Randwertproblem geheftet und im jeweiligen Deformationszustand berechnet wird. Die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Homogenisierungstechnik wird anschließend am Beispiel verschiedener Mikrostrukturen und geeigneter Referenzberechnungen nachgewiesen

Numerical Model Reduction of the Electro-Chemically Coupled Multi-Scale Transport of Electroactive Species

The focus of this presentation is on the multi-scale and multi-physics Finite Element Analysis of the structural battery composite. We are particularly interested in predicting the electro-chemical performance of the Structural Battery Electrolyte (SBE) by utilizing computational homogenization, and numerical model reduction (NMR)

Energy dissipation of P- and S-waves in fluid-saturated rocks: An overview focusing on hydraulically connected fractures

An important characteristic of fractured rocks is their high seismic attenuation, which so far has been mainly attributed to wave-induced fluid flow (WIFF) between the fractures and the embedding matrix. The influence of fracture connectivity on seismic attenuation has, however, recently, only been investigated. Numerical compressibility and shear tests based on Biot’s quasi-static poro-elastic equations illustrate that an important manifestation of WIFF arises in the presence of fracture connectivity. The corresponding energy loss, which can be significant for both P- and S-waves, is mainly due to fluid flow within the connected fractures and is sensitive to the permeabilities as well as the lengths and intersection angles of the fractures. Correspondingly, this phenomenon contains valuable information on the governing hydraulic properties of fractured rocks and hence should be accounted for whenever realistic seismic models of such media are needed.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Untersuchungen zur Entwicklung der Tidedynamik an der deutschen Nordseeküste (ALADYN)

Online First, geplanter Druck 202

Mikromorphe Materialien : Interpretation durch Homogenisierung

In order to develop more and more resource-saving strategies for engineering tasks, the efficient application of cellular materials, such as various open cell foams, is of high interest in science and technology. Strongly influenced by their underlying microtopology, cellular materials feature a complex material behaviour. Modelling aspects to be taken into account are e.g. the deformation induced evolution of anisotropy and porosity on the one hand and the description of size dependent stiff or soft boundary layers, activated by the interaction close to material interfaces, on the other hand. The present contribution is focusing on that second feature by introducing a numerical homogenisation procedure. It allows to replace the heterogeneous microcontinuum by a homogeneous micromorphic macrocontinuum. Doing so, the microstructural deformation mechanisms can be geometrically interpreted as generalised degrees of freedom, which can be transferred on the macroscopic level. In the context of a FE2 strategy, the macroscopic constitutive equations are replaced by the computation of a nested microscopic boundary value problem in each macroscopic material point. The power of the proposed interpretation of the micromorphic degrees of freedom in combination with the numerical homogenisation approach is demonstrated for several microstructures in various numerical experiments validated in comparison to numerical reference calculations.In einer Welt immer knapper werdender Rohstoffe kommt dem ressourcenschonenden Einsatz von anwendungsspezifisch optimierten Materialien eine immer höhere Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund werden zelluläre Materialien wie z.B. offenporige Schäume sowohl im Bereich des konstruktiven Leichtbaus als auch für diverse weitere Anwendungsgebiete eingesetzt. Aufgrund ihrer ausgeprägten Mikrotopologie zeichnen sich diese Materialien durch ein komplexes mechanisches Verhalten aus. Für die Materialmodellierung müssen dabei sowohl die Anisotropie und die Porosität Berücksichtigung finden als auch Maßstabseffekte an Materialgrenzen, die sich in steifen oder weichen Randschichten äußern. Eben diese Maßstabseffekte stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Zu ihrer Modellierung wird das zu Grunde liegende heterogene Mikrokontinuum durch ein homogenes mikromorphes Makrokontinuum ersetzt. Dazu müssen die mikroskopischen Deformationsprozesse einer makroskopischen Interpretation als erweiterte Freiheitsgrade zugeführt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines numerischen Homogenisierungsverfahrens. Die Formulierung einer makroskopischen Konstitutivbeziehung wird umgangen, indem an jeden makroskopischen materiellen Punkt ein mikroskopisches Randwertproblem geheftet und im jeweiligen Deformationszustand berechnet wird. Die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Homogenisierungstechnik wird anschließend am Beispiel verschiedener Mikrostrukturen und geeigneter Referenzberechnungen nachgewiesen

Potential of innovative measuring systems for earthworks " literature study

Die Qualität und Gleichmäßigkeit der ungebundenen Schichten beeinflusst die Dauerhaftigkeit des gesamten Oberbaus einer Straße deutlich. Eine mangelnde Tragfähigkeit dieser Schichten und die daraus entstehenden Verformungen aufgrund von zyklischer Beanspruchung führen allmählich zu Schäden an der Straßenoberfläche. Die Tragfähigkeit ungebundener Schichten wird bisher ausschließlich punktuell durch statische oder dynamische Plattendruckversuche ermittelt und kann somit nicht als maßgebend für die gesamte untersuchte Schicht angenommen werden. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, Ideen für ein innovatives Messsystem zur möglichst flächendeckenden und zerstörungsfreien Erfassung der Gebrauchseigenschaften ungebundener Schichten im Straßenbau zu erarbeiten, um damit eine nachhaltige Steigerung der Nutzungsdauer einer Straßenbefestigung zu erreichen. Eine interdisziplinäre Literaturreche, die Auswertung und die theoretische Übertragung auf den ungebundenen Straßenbau führten zu zwei technisch sinnvollen Messmethoden, mit denen genaue Angaben über die tatsächliche Struktur und die relevanten Materialeigenschaften für die ungebundene Schicht erlangt und somit die ganzheitliche Qualität der ungebundenen Schicht beschrieben werden können. Beide Prüfmethoden, harmonische Deflektometrie und Reflexionsmessung, sind vergleichsweise einfach durchzuführende dynamische Messverfahren, bei denen die Messungen an sich jedoch stationär aber zerstörungsfrei stattfinden. Durch wiederholte Messungen in definierten Abständen können die Gebrauchseigenschaften ansatzweise flächendeckend abgeleitet werden. Um eine annährend flächendeckende Aussage zu bekommen, ließen sich beide Messmethoden theoretisch mit Georardarmessungen verknüpfen. Nach bisherigen Erfahrungen können moderne Georadarsysteme zur Überprüfung der Schichtdicken und bedingt zur Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der zu prüfenden Schicht (Dichte) angewendet werden.The quality and uniformity of unbound layers significantly affects the durability of the entire road pavement. A lack of bearing capacity of these layers and the resulting deformations caused by cyclical load gradually lead to a damaged road surface. The bearing capacity of unbound layers is only selectively determined by static and dynamic plate-loading tests so far and therefore is not to be considered as solely determinative for the examined layer. The aim of the research project was to develop ideas for an innovative measuring system, which extensively and non-destructively records the performance characteristics of unbound layers in order to achieve a sustainable increase in service life of a road pavement. An interdisciplinary literature study, the evaluation and the theoretical transfer to the unbound road construction led to two technically practical measuring methods, which give exact information about the actual structure and the material characteristics of unbound layers. Thus, the overall quality of the unbound layer can be described. Both test methods harmonic deflectometry and reflection measurement are comparatively simply performed measuring systems, where the measurements however, take place stationary, but not non-destructively. Performance characteristics can be derived nearly extensively from repeated measurements in defined intervals. In order to achieve an extensive assessment both test methods could be theoretically linked to Ground Penetrating Radar measurements. Due to previous experiences modern Ground Penetrating Radar systems can be used for the validation of the layer thickness and for the validation of the uniformity of the properties of the examined layer (density)

Relaxed loading conditions for higher order homogenisation approaches

The present paper deals with the formulation of minimal loading conditions for the application of numerical homogenisation techniques, namely the FE methodology -- Based on the set of volume averaging rules connecting the heterogeneous micro and the homogeneous macro scale, the minimal constraints on the deformation of a micro volume are derived for a classical Cauchy as well as for a micromorphic overall continuum theory -- For both cases, numerical studies are included highlighting the main aspects of the proposed procedur

Microscale investigations of highfrequency wave propagation through highly porous media

Wave propagation in highly porous materials has a well established theoretical background -- Still there are parameters which require complex laboratory experimentation in order to find numerical values -- This paper presents an effective method to calculate the tortuosity of aluminum foam using numerical simulations -- The work flow begins with the acquisition of the foam geometry by means of a micro-CT scanner and further image segmentation and analysis -- The elastodynamic wave propagation equation is solved using a velocity-stress rotated staggered finite-difference technique -- The effective wave velocities are calculated and using the fluid and, aluminum effective properties, the tortuosity is determine