Mikrostrukturmodellierung und –optimierung schmelzinfiltrierter Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe
(Microstructural modeling and optimization of metal matrix composites)

Projekt:
Numerische Mikrostrukturoptimierung Schmelzinfiltrierter Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe

Zusammenfassung:
Es soll eine numerische Zweiskalenmethode zur Mikrostrukturoptimierung von Mikroproben und Bauteilen aus schmelzinfiltriertem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit maximaler makroskopischer Steifigkeit unter quasistatischer mechanischer Belastung entwickelt werden. Die makroskopische Modellierung erfolgt mittels der FE-Methode. Jeder Integrationspunkt im Element, das aus mehreren Domänen (aus Gebieten gleicher Orientierung und Geometrie der Einschlüsse) besteht, stellt die Mikrostruktur auf der Mikroebene dar. Die effektive Steifigkeit der Mikrostruktur auf der Mikroebene unter Wirkung der makroskopischen Verzerrungen wird mittels mikromechanischer Zwei-Schritt-Homogenisierungsverfahren bestimmt. Das inelastische Materialverhalten der einzelnen Materialphasen wird inkrementell durch entsprechende Materialgesetze bei der Bestimmung  der Tangentesteifigkeit der einzelnen Domäne im ersten Homogenisierungsschritt berücksichtigt. Die effektive Steifigkeit im Integrationspunkt wird im zweiten Homogenisierungsschritt bestimmt. Die Beschränkungen auf Design-Variablen der Optimierung sollen aus den statistischen Untersuchungen der Mikrostruktur und aus Kenntnissen über den Herstellungsprozess definiert werden. Die Lösung des Optimierungsproblems soll iterativ zuerst für ein einfaches Problem und dann für eine kappenförmige Prothese  erfolgen. Zur Bestimmung der Materialgesetze für einzelne Phasen sowie zur Verifikation der Mikrostrukturmodellierung und Optimierung werden zahlreiche vorhandene experimentelle Daten aus Untersuchungen der Mikro- und Makroproben sowie aus FE-Modellen der realen Mikrostruktur eingebracht.

Typische Mikrostruktur der schmelzinfiltrierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe (Aufnahmen von S. Roy IWK1)

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