Stochastisch erweiterte Mehrskalenmodellierung offenporiger Metallschäume

Abstract

Offenporige Metallschäume zeigen bedingt durch ihre stochastische Tragwerksstruktur aus einzelnen Stegen eine hohe Steifigkeit im Bezug zur Dichte und eignen sich somit für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich des Leichtbaus. Die Möglichkeit der hohen Deformation bei einer definierten Kraft ermöglicht eine hohe Energieaufnahme und ist besonders für den Bereich der Crash-Absorption ideal. Die Kombination aus diesen Eigenschaften macht offenporige Metallschäume zu einer interessanten Materialklasse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Mehrskalenmodellierung dieser Kategorie von Metallschäumen und der Beschreibung des makroskopischen Verhaltens mithilfe der numerischen Umsetzung des Modellierungsansatzes. Alle relevanten Schritte, von der experimentellen Untersuchung der Materialeigenschaften auf den unterschiedlichen Skalen über die Modellentwicklung bis hin zur Validierung des implementierten Modells an Experimenten werden behandelt. Die stochastische Erweiterung erfolgt durch den Bezug zur Wahrscheinlichkeitsverteilung der Stegorientierungen des realen Schaums. Diese Stegorientierungen fließen ebenso wie das effektive Materialverhalten der Stege unter Zug- und Druckbelastung sowie unter Biegung ein. Somit bietet die vorliegende Arbeit einen neuen Ansatz der Skalenkopplung zur Beschreibung des makroskopischen Verhaltens von offenporigen Metallschäumen.

Due to their stochastic load-bearing structure consisting of individual struts, open-cell metal foams offer a high stiffness in relation to density and are therefore suitable for a large number of applications in the field of lightweight construction. The possibility of high deformation at a defined force enables high energy absorption and is particularly ideal for the area of crash absorption. The combination of these properties makes open-cell metal foams an interesting class of materials. The present work deals with the multi-scale modelling of this category of metal foams and the characterisation of the macroscopic behaviour by means of the numerical implementation of the modelling approach. All relevant steps, from the experimental investigation of the material properties on the different scales, the model development up to the validation of the implemented model by experiments, are covered. The stochastic extension is done with regard to the probability distribution of the strut orientations of the real foam. These strut orientations are included as well as the effective material behaviour of the struts under tensile and compression loading and under bending. Thus the present work represents a new approach to scale-coupling for the description of the macroscopic behaviour of open-cell metal foams.