Modellierung und Simulation effektiver mechanischer Eigenschaften von Faserstrukturen und technischen Textilien - Software FiberFEM (DFG-Projekt)

Im Fokus dieser Forschung und Entwicklung steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Textilien und Fasermaterialien mit heterogener Mikrostruktur unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwischen den einzelnen Fäden. Das Problem wird dabei durch die unterschiedlichen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist. Für eine effektive Berechnung ist stattdessen ein Mehrskalenzugang erforderlich.

Die zur Anwendung kommende asymptotische Homogenisierungsmethode wurde daher für die mechanische Analyse von Kontaktproblemen in einer textilen Mikrostruktur erweitert und leitet nun hierfür ein effektives phänomenologisches Materialgesetz her. Dieses effektive Konstitutivgesetz wird über eine Reihe von periodischen Hilfs-Kontaktproblemen auf einer Einheitszelle aus der Textilmikrostruktur ermittelt und ist aufgrund des Kontaktes zwischen den Fäden elasto-plastisch und nichtlinear.

Bei der numerischen Umsetzung der entsprechenden Berechnungsalgorithmen für die Mehrskalenprobleme wird ausgenutzt, dass der Quotient aus Durchmesser und Länge der Fasern und Garne in den Textilstrukturen sehr kleine Werte annimmt. Zusammen mit der Einführung weiterer asymptotischer  Betrachtungen hinsichtlich des Garndurchmessers lassen sich die ursprünglich dreidimensionalen periodischen Hilfs-Kontaktprobleme auf der Textilmikrostruktur in der Dimension reduzieren und die Gesamtverformung lässt sich letztlich als Superposition von Zug, Biegung  und Torsion eindimensionaler Balken berechnen. Als Werkzeug zur Simulation einer repräsentativen Strukturzelle eines Textils kann daher die Finite-Element-Methode dienen, die mit Balkenelementen umgesetzt und für die Behandlung von  Fadenkontaktproblemen in einem speziell am ITWM entwickelten Softwarepaket "FiberFEM" erweitert und implementiert wurde.
Als Eingangsgrößen benötigt FiberFEM neben der Mikrostrukturbeschreibung des betrachteten Textils die Faserquerschnittsgeometrie, sowie mechanische Faserparameter, wie Zugsteifigkeit, Festigkeit, Lebensdauer und Reibung. Als Output werden die effektiven mechanischen Textilgrößen zurückgegeben.

Neben der Berechnung der effektiven mechanischen Materialeigenschaften für eine Vielzahl bereits existierender gewebter und gestrickter Textilien aus technischen und medizinischen Anwendungen, bietet der Ansatz auch das Potential zur gezielten Auslegung neuer Textilien mit vorgegebenem mechanischem Eigenschaftsprofil.