Beschreibung

In diesem Projekt werden mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) Bruchvorgänge in granularen Materialien bei hochdynamischer Stoßanregung und die daraus resultierende Interaktion von Bruchvorgängen und Stoßwellenausbreitung untersucht. In der DEM wird das granulare Material durch Verbinden von Partikeln mit zerbrechbaren Kraftelementen modelliert. Mit diesem Ansatz lassen sich die Festigkeits- und Versagenseigenschaften von Geomaterialien wie Gestein oder Beton abbilden.

Im Vorgängerprojekt in der ersten Förderphase wurden Kraftelemente verwendet, die lediglich in Normalenrichtung der Relativverschiebung der Partikelschwerpunkte wirken und somit nur Zug- und Druckbelastungen zulassen. Das Überschreiten einer zulässigen Belastung im Kraftelement führt zu dessen Bruch und Entfernung aus der Simulation. Hier wird zunächst untersucht, inwieweit sich die Simulation des Versagensverhaltens granularer Festkörper weiter verbessern lässt, wenn die Bindungen der Partikel zusätzlich um Steifigkeiten und Versagensmöglichkeiten auf Schub, Biegung und Torsion erweitert werden.

Um das Verhalten des brechbaren Körpers unter Stoßanregung zu analysieren, muss auch die Stoßwellenausbreitung in granularen Festkörpern mit der DEM darstellbar sein. Insbesondere werden dazu zunächst der Einfluss der Diskretisierung sowie die Auswirkungen der verschiedenartigen neu entwickelten Kraftelemente auf die Stoßwellenausbreitung untersucht. Ebenfalls betrachtet werden soll, wie sich Inhomogenitäten im Material auf die Stoßwelle auswirken, wobei interessante Dispersionseffekte entstehen können. Inhomogenitäten können durch Risse oder Brüche entstehen. Ebenfalls führen Einschlüsse größerer Partikel in einer feineren Matrix, wie es bei Beton der Fall ist, zu Materialinhomogenitäten. Da insbesondere die Darstellung von solchen Inhomogenitäten mit der DEM gut möglich ist, werden auch im Zusammenspiel von Bruchvorgängen und Stoßwellen Vorteile gegenüber Kontinuumsmethoden wie der Finiten-Elemente-Methode erwartet. Insbesondere von Interesse ist in diesem Projekt, wie sich bereits vorhandene Risse oder Vorschädigungen auf die Wellenausbreitung in der DEM auswirken. Ziel ist somit die korrekte Abbildung der mesoskopischen Versagensmechanismen unter hochdynamischer, mehrachsiger Beanspruchung in der Simulation. Hierbei werden lange Simulationszeiten von mehren Sekunden bei mehreren 100.000 Partikelen angestrebt.

In diesem Zusammenhang wird ebenfalls betrachtet, inwiefern Bruchvorgänge von Welleneffekten abhängen. Möglicherweise werden Interferenzen Auswirkungen auf den Bruch haben. Auch ist zu klären, ob und inwieweit Festigkeits- und Versagenseigenschaften von der Beanspruchungsgeschwindigkeit abhängen. Die korrekte Abbildung der mesoskopischen Versagensmechanismen unter hochdynamischer, mehrachsiger Beanspruchung in der Simulation ist sicherzustellen.

Als Anwendungsbeispiel wird die Desintegration von Gestein oder Beton durch Meißeln betrachtet. Zur realitätsnahen externen Anregung der Bruchvorgänge und Stoßwellen im granularen Material soll die DEM mit einem elastischen Mehrkörpersystem in einer Cosimulation gekoppelt werden. Damit ist es möglich die Dynamik einer anregenden Maschine zu simulieren. Von besonderer Bedeutung ist, dass die Energie der im Meißel laufenden Stoßwellen ins granulare Material übertragen werden kann. Auch die Rückwirkung der Zertrümmerung des granularen Materials auf den Meißel soll untersucht werden.

Ansprechpartner

• Dipl.-Ing. Sven Stühler
• Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Peter Eberhard