Teilprojekt P7

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Projektbeschreibung

Numerische Relaxierung zur Beschreibung der Mikrostrukturentwicklung in funktionalen magnetischen Werkstoffen

Im Zentrum des Projekts der ersten Förderphase stand die Entwicklung konstitutiver Modelle zur prädiktiven Beschreibung nichtlinearer, hysteretischer und anisotroper Magnetostriktion auf der Basis von relaxierten Energiepotenzialen. Das zentrale Ziel des Anschlussprojekts ist es für die entwickelten Modellierungskonzepte einen Übergang von Lösungen für Spezialfälle hin zu einer breiten Anwendbarkeit zu vollziehen.Im Sinne einer solchen Verallgemeinerung soll die bisherige Beschränkung auf die Untersuchung der Modelleigenschaften in der Anwendung auf magnetische Formgedächtnislegierungen, einfache Probengeometrien und zweidimensionale Lastfälle aufgehoben werden. Das Projekt konzentriert sich dabei auf die theoretische Modellentwicklung und die algorithmische Umsetzung in drei Bereichen: In einem ersten Schritt soll die Einbettung der Relaxierungsmodelle in Finite-Elemente-basierte Lösungsverfahren für magnetomechanisch gekoppelte Randwertprobleme realisiert werden. Es wird somit ein Simulationswerkzeug etabliert, dass nicht nur den Einfluss energieminimierender Mikrostrukturen auf die Magnetostriktion in homogenen Feldproblemen beschreibt, sondern auch in der Simulation von Einkristallprobekörpern beliebiger Geometrie oder polykristalliner Strukturen eingesetzt werden kann. Es soll ebenfalls möglich sein, makroskopische Belastungsfelder auf Repräsentative Volumenelemente (RVE) der Mesoebene aufzubringen, und somit die algorithmische Grundlage und eine Schnittstelle für die Einbindung in eine direkte numerische Homogenisierung mit der FE2-Methode zu schaffen. Im zweiten Schritt steht die Erweiterung des relaxierungsbasierten Materialmodells im Fokus. Dabei soll vor allem die Verallgemeinerung auf dreidimensionale Effekte unter Berücksichtigung des vollen Spektrums mikrostruktureller Umwandlungsprozesse eine breitere Einsetzbarkeit des Materialmodells ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist eine genaue Erforschung der Effizienz und Stabilität der zu Grunde liegenden numerischen Verfahren zwingend erforderlich. In einem dritten Schritt soll ein Transfer der Modellierungs- und Simulationskonzepte stattfinden, wobei zunächst die Anwendung auf weitere Materialsysteme, bei denen das makroskopische Magnetostriktionsverhalten auf andere mikrostrukturelle Mechanismen zurückgehen, samt experimenteller Validierung, umgesetzt werden. Als weiterer Aspekt wird ein quantitativer Vergleich zwischen den Vorhersagen der erweiterten Relaxierungsmodelle und Simulationen auf Basis alternativer Modellierungsansätze (Phasenfeld, laminatbasierte Mischungstheorie) vollzogen werden, um eine fundierte Einschätzung der jeweiligen Leistungsfähigkeit und Einsetzbarkeit der verschiedenen Modellierungskonzepte zu ermöglichen.