DamageModelle

DamageModelle sind im Ingenieurwesen und in der Materialwissenschaft verwendete mathematische Modelle, die den fortschreitenden Verlust der Tragfähigkeit eines Materials oder Bauteils infolge von Belastung, Temperatur oder zyklischer Beanspruchung beschreiben. Sie quantifizieren Schaden durch eine Schadensvariable D, die typischerweise von 0 (nicht geschädigt) bis 1 (vollständig zerstört) reicht, und beeinflussen die Materialsteifigkeit und das Fließverhalten durch Absenkung der elastischen Steifigkeit.

Grundtypen: Isotropes Schadensmodell bedeutet, dass D alle Richtungen gleich beeinflusst; anisotropes oder tensoriales Schadensmodell berücksichtigt Richtungsabhängigkeiten. Nichtlokale Modelle berücksichtigen Einflüsse benachbarter Zellen, um numerische Artefakte wie Mesh-Dependency zu vermeiden. Phasenfeldmodelle und kohäsive Zonenmodelle ermöglichen die Beschreibung von Rissansatz und Rissausbreitung, oft in Verbindung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM).

Anwendungsgebiete: Konstruktionstechnik, insbesondere Bruch- und Ermüdungsberechnungen; Materialentwicklung zur Beurteilung von Kerb- und Rissempfindlichkeit; Automobil- und Luftfahrtindustrie. Daneben kommen DamageModelle auch in Computerspielen und technischen Simulationen zum Einsatz, um realistische Zerstörungseffekte zu erzeugen.

Parameterkalibrierung: Die Modelle benötigen experimentelle Daten zur Bestimmung der Schadensparameter, häufig abhängig von Material, Belastungsart, Temperatur und Frequenz. Nichtlokale Ansätze und Regularisierungsmethoden helfen, numerische Artefakte zu vermeiden und robuste Vorhersagen zu ermöglichen.

Historie: Frühe Schadenstheorien entstanden in den 1960er Jahren in der Kontinuumsmechanik; seitdem wurden CDM, nichtlokale Modelle und Phasenfeldansätze weiterentwickelt und in kommerziellen FEA-Programmen implementiert.