Zusammenfassung
Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung werden an Werkstoffe stetig neue, insbesondere simultane Anforderungen an mehrere physikalischen Eigenschaften gestellt. Dabei führt oft die Optimierung einer gewünschten Eigenschaft oft zur Verschlechterung der anderen geforderten Eigenschaft. Ein Beispiel hierfür ist die Optimierung eines elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Materials. Kunststoffbasierte Verbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit durch Materialien mit Inklusionen gezielt physikalische Eigenschaften, insbesondere das elektrische und thermische Verhalten, einzustellen. In diesem Paper werden Verfahren zur virtuellen Materialcharakterisierung und Optimierung vorgestellt. Hierzu werden Methoden der Mikrostruktursimulation und Homogenisierung, sowie Metamodellierungstechniken verwendet. Durch Simulation der Struktur-Eigenschafts-Beziehung ist es möglich, die zur Entwicklung solcher Materialien experimentell oft aufwendige Prototypenherstellung und deren Charakterisierung zum größten Teil zu ersetzen und bessere Lösungen zu finden. Dadurch können relevante Materialeigenschaften, wie die thermische Leitfähigkeit oder mechanische Eigenschaften, z. B. das Kriechverhalten, virtuell bestimmt werden. Die hierbei ermittelten Werkstoffkennwerte und Materialkarten dienen anschließend als Input für die Simulation auf Bauteilebene. Diese Methoden bieten somit das Potenzial, die Produktentwicklungszeit zu verkürzen. Des Weiteren wird in diesem Paper ein Verfahren präsentiert, Verbundwerkstoffe mithilfe numerischer Simulation und Optimierungsverfahren gezielt gemäß speziellen Anforderungen zu entwerfen. Nach einer Einführung in die Methodik werden Anwendungsbeispiele für die virtuelle Materialcharakterisierung und Optimierung präsentiert.
Access this chapter
Tax calculation will be finalised at checkout
Purchases are for personal use only
Literatur
Temizer, I., Zohdi, T.I.: A numerical method for homogenization in non-linear elasticity. Comput. Mech. 40, 281–298 (2007)
Becker J., Biebl F., Glatt E., Cheng L., Grießer A., Groß M., Linden S., Mosbach D., Wagner C., Weber A., Westerteiger R.: GeoDict (Release 2022) [Simulation software], Math2Market GmbH (2021). https://doi.org/10.30423/release.geodict2022
Montgomery, D.C.: Design and analysis of experiments, 6th edn. Wiley (2004)
Simpson, T.W., Lin, D.K., Chen, W.: Sampling strategies for computer experiments: Design and analysis. Int. J. Reliab. 2(3), 209–240 (2001)
Kanit, T., Forest, S., Galliet, I., Mounoury, V., Jeulin, D.: Determination of the size of the representative volume element for random composites: Statistical and numerical approach. Int. J. Solids Struct. 40(13–14), 3647–3679 (2003)
Schneider, M.: A review of nonlinear FFT-based computational homogenization methods. Acta Mech. 232, 2051–2100 (2021)
Simpson, T., Poplinski, J., Koch, N.P., Allen, J.: Metamodels for computer-based engineering design: Survey and recommendations. Eng. Comput. 17, 129–150 (2001)
Lampinen J.: A constraint handling approach for the differential evolution algorithm. In: Proceedings of the 2002 congress on evolutionary computation (2002), CEC'02 (Cat. No.02TH8600), Bd. 2, S. 1468–1473
Kaliske, M., Rothert, H.: Formulation and implementation of three-dimensional viscoelasticity at small and finite strains. Comput. Mech. 19, 228–239 (1997)
Kabel, M., Fink, A., Schneider, M.: The composite voxel technique for inelastic problems. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 322, 396–418 (2017)
Grimm-Strele, H., Kabel, M.: Runtime optimization of a memory efficient CG solver for FFT-based homogenization: implementation details and scaling results for linear elasticity. Comput. Mech. 64, 1339–1345 (2019)
Kabel, M., Fliegener, S., Schneider, M.: Mixed boundary conditions for FFT-based homogenization at finite strains. Comput. Mech. 57(2), 193–210 (2016)
Kabel M., Andrä H., FeelMath: Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics. https://www.itwm.fraunhofer.de/de/abteilungen/sms/produkte-und-leistungen/feelmath.html (2022)
Köbler, J., Schneider, M., Ospald, F., Andrä, H., Müller, R.: Fiber orientation interpolation for the multiscale analysis of short fiber reinforced composite parts. Comput. Mech. 61, 729–750 (2018)
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Editor information
Editors and Affiliations
Rights and permissions
Copyright information
© 2023 Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature
About this paper
Cite this paper
Marr, J., Zartmann, L., Reinel-Bitzer, D., Andrä, H., Müller, R. (2023). Virtuelle Materialcharakterisierung und Optimierung für Elektromobilitätsanwendungen. In: Heintzel, A. (eds) Experten-Forum Powertrain: Komponenten und Kompetenzen zukünftiger Antriebe 2022. EFPWRT 2022. Proceedings. Springer Vieweg, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-42940-9_9
Download citation
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-42940-9_9
Published:
Publisher Name: Springer Vieweg, Wiesbaden
Print ISBN: 978-3-658-42939-3
Online ISBN: 978-3-658-42940-9
eBook Packages: Computer Science and Engineering (German Language)