Hesch, Christian
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Hesch, Christian
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15050680100
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Publication Access status: Open Access , Dynamics of continua with interfaces(2013)Continuum mechanics is nowadays widely used to describe the material behavior of systems, which occupies a specific area in space. In contrast to atomistic and molecular models, which can be solved using molecular dynamics or Monte-Carlo simulations, we consider the system to exist as a continuum. Due to their different material behavior we distinguish between solid mechanics and fluid mechanics. The typical deformation of the former one allows us to follow the movement of each particle in space, whereas we can not do this for the latter one. This leads to different formulations, which will be presented here. Typically, we want to achieve a solution for the balance of linear momentum for the continuum mechanical system. Additionally, we will derive a pure mass transport problem to demonstrate the capabilities of the numerical framework we have developed to solve these kind of problems. Once we have introduced the continuum mechanical framework, we can extent this to include further physical effects. Moreover, we extent the solid mechanical system to include thermal contributions and apply an additional pressure field to enforce the incompressibility of the fluids in the case of low Mach numbers. Within the continuous setting, we can define various interfaces. Internal interfaces can be used to decompose bodies into different subsets, e.g. to define areas with different physical properties or, on a more technical level, to enable parallelization on modern cluster architectures. External interfaces on solids can be used to include contact between multiple bodies. Additionally we could establish an interface at the external boundary to transfer momentum between a solid and the surrounding fluid. To avoid technical problems in the case of large deformations of solids, embedded within a fluid, we employ continuum immersed strategies to include the effects of fluid-structure interaction. Finally, we want to use phase field models for the simulation of phase separation and coarsening in solder alloys. We obtain sharp interfaces between the phases using the well known Cahn-Hilliard model to represent the free energy of the phases as well as of the interface. Similar to the immersed strategies, we aim at the simulation of the whole domain, avoiding the explicit representation of interfaces. To solve the arising initial boundary value problem in space, we first apply the finite element method for all problems at hand. In particular, we introduce Lagrangian as well as NURBS based shape functions for the underlying approximation of the field equations, written in weak form. Furthermore, we show how to incorporate discrete interface models in an optimal sense with regard to the consistency error at the interface using the Mortar method. The application of Mortar methods to NURBS will be shown as well. Due to the higher continuity requirement of the Cahn-Hilliard equation, the use of NURBS seems to be natural for this kind of problems. Since we deal with initial boundary value problems, suitable time integration schemes have to be developed as well. In general, we use a common implicit integration scheme for all problems at hand, such that we could use various fields simultaneously in a consistent framework. If possible, we aim at the development of structure preserving integrators, since they provide enhanced numerical stability for large time steps. For the explicit interface representation we apply additional augmentation techniques to simplify the algebraic constraints and verify the underlying conservation properties.Source Type:HabilitationSeries:Schriftenreihe des Lehrstuhls für Numerische MechanikVolume number:71 11 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Publication Access status: Open Access , Mechanische Integratoren für Kontaktvorgänge deformierbarer Körper unter großen Verzerrungen(2008)Forschungsziel dieser Arbeit ist die Simulation von Kontakt-Vorgängen. Ein beispielhafter und konkreter Anwendungsfall ist die computerunterstützte Crash-Simulation von Fahrzeugen der Automobilindustrie. Die begriffliche Bestimmung von Kontakt wird hierbei weitest definiert mit dem Ziel, das umfassende Feld der Gebietszerlegungsverfahren einbringen zu können. Diese notwendige Voraussetzung ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Teil der Interface-Strukturen zur Beschreibung von Kontakt-Vorgängen ursprünglich für Gebietszerlegungsverfahren entwickelt wurde. Die Entwicklung numerischer Methoden für die Zeitintegration ist damit das substanzielle Ziel der vorliegenden Untersuchung. Die Integratoren müssen für die algorithmische Erhaltung grundlegende Symmetrie-Eigenschaften des mechanischen Systems gewährleisten. Diese Zeitschrittverfahren sind unter der Bezeichnung Mechanische Integratoren bekannt und wurden bislang ohne Erfolg auf die zur Beschreibung von Kontakt-Vorgängen notwendigen Zwangsbedingungen angewandt. Die mechanischen Integratoren bieten eine einheitliche Vorgehensweise zur Gewährleistung der fundamentalen physikalischen Eigenschaften sowohl für die nichtlineare Elastostatik als auch für allgemeine nichtlineare Zwangsbedingungen. Die algorithmische Erhaltung zentraler Eigenschaften wie der Gesamtenergie und der Impulsabbildungen führen in der Praxis zu einer herausragenden numerischen Stabilität; insbesondere bei Kontakt-Vorgängen ist dies von qualitativ hohem Interesse. Auch die hieraus resultierende Möglichkeit der Wahl beliebiger Zeitschritte zeichnet dieses Verfahren aus. Jene Eigenschaften sowie die Konzeption der mechanischen Integratoren setzen ein exaktes Einfordern der holonomen Zwangsbedingungen voraus. Dies kann mithilfe zusätzlicher Freiheitsgrade, den Lagrangeschen Multiplikatoren, erfolgen. Die zugehörigen Bewegungsgleichungen können als ein differential-algebraisches Gleichungssystem geschrieben werden. Eine spezifische Besonderheit in der Beschreibung von Kontakt-Vorgängen bei der Simulation großer Deformationen von vollständig nichtlinearen Systemen unter Einbindung beliebiger konstitutiver Gesetze liegt in der Verwendung der Karush-Kuhn-Tucker Bedingungen. Sie bestimmen, ob und wann eine Zwangsbedingung aktiv ist oder nicht. Diese Klasse der Ungleichheits-Zwangsbedingungen erfordert ein entsprechendes Anpassen der mechanischen Integratoren. In der vorliegenden Untersuchung werden alle notwendigen Formulierungen sowohl für die Elasto- als auch für die Kontaktmechanik detailliert hergeleitet. Das resultierende nichtlineare Gleichungssystem kann mit einem Newton-Raphson Verfahren gelöst werden. Nicht zuletzt werden mithilfe verschiedener numerischer Beispiele die Stärken der neu entwickelten Formulierungen nachvollziehbar demonstriert.Source Type:Doctoral ThesisSeries:Schriftenreihe des Lehrstuhls für Numerische MechanikVolume number:1722 208
