Strategien zur numerischen Modellierung transienter Impaktvorgänge bei nichtlinearem Materialverhalten

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Spezialfall der Festkörpermechanik, bei dem Strukturen kurzzeitig einer hoch konzentrierten Belastung ausgesetzt sind. Derartige transiente Impaktvorgänge treten in der zivilen und militärischen Schutztechnik, der dynamischen Bodenverdichtung, dem Fahrzeugcrash oder der Befestigungs- und Abbautechnik auf und sind durch unterschiedliche Nichtlinearitäten wie z.B. große Deformationen und Verzerrungen, stark nichtlineares Materialverhalten, reibungsbehafteten Kontak zwischen mehreren Körpern und Ausbreitung von Spannungswellen gekennzeichnet. Ziel dieser Arbeit ist es, ein stimmiges Gesamtkonzept zur numerischen Simulation solch hochdynamischer Prozesse zu entwickeln, mit dem eine realitätsnahe quantitative Beschreibung der komplexen physikalischen Abläufe möglich ist. Die Bereitstellung und Zusammenführung unterschiedlicher Verfahren aus den Bereichen Adaptivität, Konstitutivmodelle, Elementtechnologie, effiziente Zeitdiskretisierung und Kontakt ist notwendig, um letztendlich praxisrelevante Ingenieuraufgaben aus dem Bereich transienter Impaktvorgänge zuverlässig berechnen und Vorhersagen für industrielle Anwendungen treffen zu können. The present study is concerned with a special case of solid mechanics, where structures are exposed to short-time, highly concentrated loading. Such transient impact processes appear in civil and military security technology, dynamic soil compaction, vehicle crash or fastening and demolition technology. They are characterized by varying non-linearities, as e.g. large deformations and strains, highly non-linear material behavior, frictional contact between multiple bodies and stress wave propagation. The aim of this study is the development of a coherent overall strategy for the numerical simulation of such highly dynamic processes, which allows for a realistic quantitative description of associated complex physical events. Preparation and combination of different methods in the fields of adaptivity, constitutive modeling, element technology, efficient time discretization and contact are essential for the reliable computation of practical relevant engineering tasks and for predictions in industrial applications.