FG Baumechanik und Numerische Methoden
Refine
Year of publication
Document Type
Way of publication
- Open Access (5)
Keywords
- GNSS (10)
- Simulation (6)
- Qualitätsmanagement (4)
- Risiko (4)
- Berechnungsingenieur (3)
- Airbag (2)
- Dummy (2)
- FEM-Berechnung (2)
- GTN-Modell (2)
- Greenland ice sheet (2)
Institute
The usage of numerical homogenization to obtain structure–property relations by applying the finite element method at both the micro- and macroscale has gained much interest in the research community. The computational cost of this so-called FE2 method, however, is typically so high that algorithmic modifications and reduction methods are essential. In the present contribution, a monolithic solution algorithm is combined with reduced order modeling (ROM) and the empirical cubature method (ECM) for hyper integration. It is further complemented by a clustered training strategy, which lowers the training effort and the number of necessary ROM modes immensely. The applied methods can be combined modularly as desired in finite element approaches. An implementation in terms of an extension to the previously established MonolithFE2 code is provided. Numerical examples show the efficiency and accuracy of the monolithic hyper ROM FE2 method and the advantages of the clustered training strategy. Even for two-scale problems with complex geometry and complex, inelastic material behaviors it was shown that speedup factors of almost 1000 (i.e., three orders of magnitude) regarding the online simulation time and of up to 30 regarding all necessary computing effort are obtainable in comparison to the conventional FE2 scheme. The training stage requires only around 3% of that time, meaning that the offline phase is relatively inexpensive, in contrast to many Neural Network approaches, whose employment, in terms of total computational efficiency, only pays off if a large number of online simulations is to be conducted, without requiring additional training.
Seit 1991 betreibt der Erstautor ein Projekt zur Untersuchung der Eishöhenänderung, Fließgeschwindigkeit und Deformation mittels GNSS Bodenmessungen am Swiss Camp in der Nähe der Gleichgewichtslinie im westlichen Randbereich des Grönländischen Inlandeises. Die bisherigen Daten stammen aus 12 Kampagnen im Zeitraum 1991 bis 2014, also im Durchschnitt alle zwei Jahre.
Neuerdings haben im Rahmen des Projektes „Spurensuche“ verschiedene Gruppen mit Schlitten das Grönländische Inlandeis von Ost nach West überquert und dabei auch die Oberflächenhöhen bestimmt. In den Jahren 2015 und 2021 konnte auch das Gebiet Swiss Camp mit GNSS vermessen werden. Mit deren Ergebnissen konnten nun die Höhenänderungen auf nunmehr 30 Jahre ausgedehnt werden und stellen somit ein einmaliges Langzeitprojekt dar
Vor 2014 ergab sich eine stark beschleunigte Höhenabnahme. Auch die Höhenänderungen seit 2014 bis 2021 zeigen weiterhin eine deutliche Höhenabnahme, jedoch weniger schnell als in den Jahren zuvor. Diese zeitlichen Variationen der Höhenabnahmeraten stehen im Zusammenhang mit der Lufttemperatur im Sommer, die bis etwa 2012 einem ansteigenden Trend folgte, um in den anschließenden Jahren auf etwas niedrigerem Niveau zu bleiben. Ebenso war die Albedo in den Sommermonaten nach 2012 etwas höher als zuvor, so dass beide Effekte für geringere Schmelzenergie gesorgt haben. Diese lokalen Höhenänderungen stimmen überein mit großräumigen Befunden in ganz Grönland, die mit Schwerefelddaten der satellitengestützten Mission GRACE abgeleitet wurden.
Insgesamt hat in den 30 Jahren die Eisoberfläche am Swiss Camp um etwa 20 m abgenommen, das sind ca. 1.7 % der dortigen Eismächtigkeit.
Im Rahmen der Expeditionen "Ocean Change 18/19 Turn the Page" des Polarforschers Arved Fuchs fanden zahlreiche Projekte zu den Themen Klimawandel, Verschmutzung der Meere und Veränderungen in der Arktis und Antarktis statt. Die wechselnden Besatzungen des umgebauten Fischkutters "Dagmar Aaen" des Eigners und Kapitäns Arved Fuchs bestehen aus Seeleuten, Wissenschaftlern und Experten verschiedener Fachgebiete.Das hier vorgestellte geodätische Forschungsprojekt untersucht den Knud-Rasmussen-Gletscher in Ostgrönland mit photogrammetrischen Methoden. Mittels Leichtflugzeug eBee der Firma senseFly wurden Überflüge des ca. 2km x 500m großen Areals der Gletscherzunge realisiert. Ein Flug dauert etwa 30 Minuten und es wurden jeweils 160 Fotos pro Flug erzeugt. Die Auswertung der Daten erfolgt in zwei Schritten. Es wird eine Punktwolke erzeugt und dann mittels der Software Pix4D ein Digitales Geländemodell generiert. Das geschieht für jeden Überflug gesondert. Durch den Vergleich der Geländemodelle ist es möglich, Verschiebungen und Geschwindigkeiten an verschiedenen Stellen des Gletschers zu ermitteln.
Im Frühjahr 2021 durchquerte eine Expedition der HEIM-Gruppe das grönländische Inlandeis von Ost nach West. Sie führten GNSS-Messungen entlang ihrer gesamten Route durch, um die früheren Messungenvon Korth seit 2002 und später von Hitziger 2020 fortzusetzen.
Entlang der Traverse der Grönland-Korth-Expeditionen (GKE) ist der EInfluss der beiden Auslassgletscher Helheim im Osten und Jakobshavn Isbræ im Westen auf die Höhenänderung signifikant. Im Akkumulationsgebiet wird ein maximaler Gewinn von 2,1m verzeichnet, wohingegen im Ablationsgebiet im Zeitraum 2002 bis 2021 ein Verlust von bis zu 38,7m auftritt.
Bei der Ermittlung statischer bruchmechanischer Kennwerte wird versucht, eine möglichst hohe Spannungsmehrachsigkeit vor der Rissspitze sicherzustellen. Im Bereich der Zähbruchmechanik (J Integral- und CTOD-Konzept) werden dazu auf ca. halbe Ligamenttiefe angerissene Proben hinreichender Größe mit Seitenkerben verwendet.
Die an solchen Proben bestimmten Risswiderstandskurven bilden eine untere Schranke und erlauben somit eine sichere Bewertung von Rissen in Bauteilen. Je nach Geometrie des Bauteils und der zu bewertenden Risskonfiguration können diese Schranken allerdings sehr konservativ sein. Deshalb haben eine Vielzahl von Studien in den letzten 30 Jahren den Einfluss der Spannungsmehrachsigkeit auf das Risswiderstandsverhalten von Stählen untersucht, um ihn bei der Bauteilwertung berücksichtigen zu können. Im Gegensatz dazu liegen für duktiles Gusseisen kaum entsprechende Daten vor. Der Beitrag zeigt den Einfluss der Mehrachsigkeit auf das Risswiderstandsverhalten von duktilem Gusseisen mit Kugelgraphit. Dazu wurden 3-Punkt-Biegeversuche an SEN(B)-Proben mit unterschiedlich tiefen Anrissen und mit Variation der Seitenkerben sowie ein Vergleich mit Mittenrissproben durchgeführt. Weiterhin wird untersucht, inwiefern sich dieser Einfluss der Mehrachsigkeit mittels des schädigungsmechanischen Modells von Gurson-Tvergaard-Needleman numerisch vorhersagen lässt.
Damage mechanics models exhibit favorable properties such as the intrinsic influence of stress triaxiality on damage evolution and the prediction of crack initiation as well as propagation leading to structural failure. However, their application requires advanced expertise hindering the transfer of these models into industrial practice, especially since the parameter calibration is a key obstacle. In this paper, a simplified procedure is proposed for a non-local extension of the Gurson–Tvergaard–Needleman model (GTN), which is a highly accepted model for ductile failure of metals. The procedure is iteration free and requires experimental input data from only two standardized tests. The parameters are determined using look-up diagrams created on the basis of systematic simulations and made available for different material behavior covering the majority of ductile metals. Benchmark tests for three different steels are conducted to evaluate the robustness of the proposed procedure. The reliability of the GTN model is validated for all investigated materials.
Micromorphic theories became an established tool to model size effects in materials like dispersion, localization phenomena or (apparently) size dependent properties. However, the formulation of adequate constitutive relations with its large number of constitutive relations and respective parameters hinders the usage of the full micromorphic theory, which has 18 constitutive parameters already in the isotropic linear elastic case. Although it is clear that these parameters are related to predicted size effects, the individual meaning of single parameters has been rather unclear.
The present work tries to elucidate the interpretation of the constitutive relations and their parameters. For this purpose, a harmonic decomposition is applied to the governing equations of micromorphic theory. The harmonic modes are interpreted at the microscale using a homogenization method for a simple volume element with spherical pore. The resulting boundary-value problem at the microscale is solved analytically for the linear-elastic case using spherical harmonics resulting in closed-form expressions for all of the elastic 18 parameters. These values are used to predict the size effect in torsion of slender foam specimens. The predictions are compared with respective experimental results from literature.
Ductile materials are used in many applications such as hydrogen storage andtransport, energy plants and additively manufactured components. High safetystandards are vital for such applications, which underline the necessity of thor-oughly investigating ductile failure to ensure safety and increase componentsefficiency. Ductile failure is mainly prompted by the evolution of the so-calledductile damage, characterized by the nucleation, growth and coalescence ofmicrovoids due to plastic deformation. Moreover, the plastic zones formed at thecrack tip of ductile materials exhibit high sensitivity to the stress triaxiality level,which in turn distinctly depends on the geometry of the considered component.The quantification of the stress triaxiality at the crack tip is therefore essential tobetter understand and predict ductile crack propagation and failure. For that rea-son, a non-local ductile damage model is employed in this work to simulate theductile crack propagation under different stress triaxiality conditions. Differentgeometries are considered, such as constrained geometries of notched bendingspecimens and unconstrained geometries of center cracked tension specimens,which characterize the different triaxiality levels. To address the effects of thick-nessandinitialcracklength,three-dimensionalgeometriesaresimulated,whichaccount for the out-of-plane crack-tip constraints. Finally, to evaluate the predic-tion quality of the simulations, corresponding experiments have been carried outand direct comparisons are conducted, with respect to the crack length, ductilecrack propagation and resistance curves.
Due to their good ratio of stiffness and strength to weight, foam materials find use in lightweight engineering. Though, in many applications like structural bending or tension, the scale separation between macroscopic structure and the foam’s mesostructure like cells size, is relatively weak and the mechanical properties of the foam appear to be size dependent. Positive as well as negative size effects have been observed for certain basic tests of foams, i.e., the material appears either to be more compliant or stiffer than would be expected from larger specimens. Performing tests with sufficiently small specimens is challenging as any disturbances from damage of cell walls during sample preparation or from loading devices must be avoided. Correspondingly, the number of respective data in literature is relatively low and the results are partly contradictory.
In order to avoid the problems from sample preparation or bearings, the present study employs virtual tests with CT data of real medium-density ceramic foams. A number of samples of different size is “cut” from the resulting voxel data. Subsequently, the apparent elastic properties of each virtual sample are “measured” directly by a free vibrational analysis using finite cell method, thereby avoiding any disturbances from load application or bearings. The results exhibit a large scatter of the apparent moduli per sample size, but with a clear negative size effect in all investigated basic modes of deformation (bending, torsion, uniaxial). Finally, the results are compared qualitatively and quantitatively to available experimental data from literature, yielding common trends as well as open questions.
Ice Elevation Change Based on GNSS Measurements along the Korth-Traverse in Southern Greenland
(2022)
In 1912, a Swiss expedition led by meteorologist Alfred de Quervain crossed the Greenland ice sheet on a route from Disko Bay to Tasiilaq. Based on that, in 2002, a series of geodetic expeditions carried out by W. Korth and later by T. Hitziger began along the same traverse as in 1912, with the last measurements taken in May 2021. The statically collected GPS/GNSS data provide very accurate elevation changes at 36 points along the almost 700 km long crossing over a period of 19 years. According to this, there is a maximum increase of 2.1 m in the central area and a decrease of up to 38.7 m towards the coasts (influence Ilulissat Isbræ). By using kinematic GNSS measurements, there is a very dense profile with a spacing of a few meters. The comparison of those measurements is performed using crossing points or minimum distances and gives equivalent results for both methods. It is shown that local ice topography is preserved, and thus gaps in data sets can be caught. Areas of accumulation and ablation on the ice sheet can be identified, showing the widespread influence of outlet glaciers up to 200 km. The data can be used for direct verification of altimetry data, such as IceSat. Both IceSat elevations and their changes can be compared.