- Titel
- Phase-field modelling of fracture in soft solids
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1015453
- Übersetzter Titel (DE)
- Phasenfeldmodellierung von Bruchvorgängen in weichen Festkörpern
- Schriftenreihe
- Veröffentlichungen des Instituts für Festkörpermechanik
- Bandnummer
- 16
- Erstveröffentlichung
- 2026
- Datum der Einreichung
- 18.08.2025
- Datum der Verteidigung
- 05.12.2025
- ISSN
- 2702-6787
- Abstract (DE)
- Gegenstand dieser Arbeit sind Bruchvorgänge in weichen Festkörpern. Basierend auf der Rissphasenfeldmethode und einem inkrementellen Variationsprinzip wird ein einheitliches Modellframework entwickelt und auf zwei Materialklassen angewendet. Einerseits betrachten wir Materialien mit geschwindigkeitsabhängigem Verhalten und berücksichtigen sowohl viskose Effekte als auch die allfällige Geschwindigkeitsabhängigkeit der Bruchzähigkeit. Wir analysieren die grundsätzliche Kopplung der Mechanismen und zeigen insbesondere, dass die Definition eines Beitrags zur Risstriebkraft, der aus viskosen dissipativen Mechanismen resultiert, zu unrealistischen Modellvorhersagen führen kann. Darüber hinaus modellieren wir auf Grundlage experimenteller Untersuchungen den geschwindigkeits- und temperaturabhängigen Duktil-Sprödbruch-Übergang von Toffee. Wir zeigen, dass dieses Phänomen durch das komplexe Zusammenspiel zwischen hochgradig dissipativem viskosem Deformationsverhalten und geschwindigkeitsabhängiger Bruchzähigkeit verursacht wird. Andererseits analysieren wir im ungeschädigten Zustand inkompressible, hyperelastische Materialien. Hierzu definieren wir ein neuartiges invariantenbasiertes isochores Physics Augmented Neural Network (PANN) als präzises und effizientes Modell für das Deformationsverhalten, das eine entkoppelte Beschreibung der volumetrischen und isochoren Deformationsanteile ermöglicht. Wir entwickeln ein hybrides Bruchmodell als Kombination von PANN und Rissphasenfeld und zeigen, dass eine kontrollierte Abschwächung der Inkompressibilität in versagendem Material entscheidend ist, um numerische Probleme zu vermeiden, was ein Deformationsmodell auf Basis des volumetrisch-isochoren Splits erfordert. Als Grundlage für die invariantenbasierte Materialmodellierung etablieren wir eine explizite Darstellung der Menge physikalisch zulässiger isochorer Deformationsinvarianten und untersuchen die Rolle von I1 und I2 für Modelle inkompressibler Hyperelastizität.
- Abstract (EN)
- In this thesis, we investigate the fracture of soft solids following the phase‑field approach. We present a unified modelling framework based on an incremental variational principle and employ it to study two classes of materials. First, we examine materials exhibiting rate‑dependent behaviour, including both viscous effects in the bulk and the rate‑dependence of fracture resistance. We study the general coupling and show that a contribution to the fracture driving force arising from viscous dissipation can lead to unrealistic model predictions. Moreover, based on an experimental study, we model the rate‑ and temperature‑dependent ductile‑to‑brittle fracture transition of toffee. We demonstrate that this phenomenon is essentially caused by the complex interplay of highly dissipative viscous deformation processes in the bulk and the rate‑dependent fracture resistance. Second, we investigate solids that are incompressible and hyperelastic in the absence of damage. To this end, we propose a novel invariant‑based isochoric physics‑augmented neural network (PANN), which serves as an efficient high‑fidelity model of the bulk and enables the decoupled description of the volumetric and isochoric responses. By combining the PANN with the phase‑field approach, we establish a hybrid fracture model. We demonstrate that a controlled weakening of incompressibility is essential for preventing numerical instabilities in fracture simulations, requiring a volumetric–isochoric decomposition. As a foundation, we provide a representation of the set of admissible isochoric deformation invariants and study the role of I1 and I2 in models of incompressible hyperelasticity.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Kontinuumsmechanik, Bruch, Materialtheorie, Weiche Festkörper, Phasenfeld
- Freie Schlagwörter (EN)
- Continuum mechanics, Fracture, Material theory, Soft solids, Phase-field
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- UF 3150
- GutachterIn
- Prof. Dr. Markus Kästner
- Prof. Dr. Fadi Aldakheel
- Herausgeber (Institution)
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsche Forschungsgemeinschaft Experimentelle und numerische Analyse des Geschwindigkeitseinflusses beim Trennen naturstoffbasierter Modellsysteme mit viskoelastischen Eigenschaften
(KA 3309/9-1)
ID: 420422342 - Deutsche Forschungsgemeinschaft Numerische und experimentelle Analyse von dehnungsinduzierter Kristallisation und Schädigung in Elastomeren infolge mehrachsiger Beanspruchung
(KA 3309/20-1)
ID: 517438497 - Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1015453
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 29.01.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
