Interplay of Theory and Experiment in Continuum Mechanics

Ausgabe: Open Access E-Book
ISBN: 978-3-99161-123-3
Sprache: Englisch
Erschienen: Oktober 2026
Reihe: Monographic Series TU Graz / Computation in Engineering and Science, Band 50

Diese kumulative Dissertation befasst sich im weiteren Sinne mit der Frage, unter welchen Bedingungen kontinuumsmechanische Materialgesetze verlässliche Vorhersagen produzieren. Die Doktorarbeit besteht aus einem Essay und vier wissenschaftlichen Publikationen, die diese Fragestellung aus mehreren Blickwinkeln betrachten. Im Grunde lassen sich zwei übergreifende Themen identifizieren: (i) die Aufgabe, Konstitutivgleichungen so einzuschränken, damit die Materialantwort für alle zulässigen Deformationspfade physikalisch sinnvoll ausfällt, und (ii) das Zusammenspiel von Materialtheorie und experimenteller Mechanik in Bezug auf die Interpretation und Nutzung von Messergebnissen. Im Hinblick auf die erste Thematik diskutieren wir – unter anderem – konstitutive Ungleichungen für Hyperelastizität und die thermodynamische Konsistenz eines Schädigungsmodells für den Mullins-Effekt. Die Ergebnisse und anschließenden Erörterungen verdeutlichen die Relevanz, Materialgesetze für allgemeine dreidimensionale Verformungen in Raum und Zeit zu formulieren, nicht nur für eine vorgefertigte Auswahl bekannter Belastungsmoden. Des Weiteren stellen wir fest, dass die physikalischen Konsequenzen gebräuchlicher konstitutiver Ungleichungen nicht so offensichtlich sind, wie man denken könnte. In Bezug auf die Interaktion von Theorie und Experiment setzen wir uns kritisch mit der Nutzung neuronaler Netzwerke und zyklisch vorbelasteter Testdaten zu Modellierungszwecken auseinander. Beide Themenfelder verdeutlichen, dass die Erfassung und Interpretation experimenteller Messungen stark von vorherigen theoretischen Überlegungen abhängig sind. Damit verwandt ist der Aufgabenbereich der Modellkalibrierung, sobald die Funktionalform eines Materialgesetzes festgelegt ist. Dahingehend führen wir einen bayesschen Ansatz ein, mit dessen Hilfe sich die Uneindeutigkeit einer bestimmten Parameterwahl vor dem Hintergrund zwingend endlicher Datenpunkte zeigen lässt. Zusammenfassend beleuchtet die Doktorarbeit konzeptionelle und praktische Herausforderungen in der Materialtheorie mit Implikationen hinsichtlich der Vorhersagekraft von Konstitutivgleichungen in der Kontinuumsmechanik.

Diese kumulative Dissertation befasst sich im weiteren Sinne mit der Frage, unter welchen Bedingungen kontinuumsmechanische Materialgesetze verlässliche Vorhersagen produzieren. Die Doktorarbeit besteht aus einem Essay und vier wissenschaftlichen Publikationen, die diese Fragestellung aus mehreren Blickwinkeln betrachten. Im Grunde lassen sich zwei übergreifende Themen identifizieren: (i) die Aufgabe, Konstitutivgleichungen so einzuschränken, damit die Materialantwort für alle zulässigen Deformationspfade physikalisch sinnvoll ausfällt, und (ii) das Zusammenspiel von Materialtheorie und experimenteller Mechanik in Bezug auf die Interpretation und Nutzung von Messergebnissen. Im Hinblick auf die erste Thematik diskutieren wir – unter anderem – konstitutive Ungleichungen für Hyperelastizität und die thermodynamische Konsistenz eines Schädigungsmodells für den Mullins-Effekt. Die Ergebnisse und anschließenden Erörterungen verdeutlichen die Relevanz, Materialgesetze für allgemeine dreidimensionale Verformungen in Raum und Zeit zu formulieren, nicht nur für eine vorgefertigte Auswahl bekannter Belastungsmoden. Des Weiteren stellen wir fest, dass die physikalischen Konsequenzen gebräuchlicher konstitutiver Ungleichungen nicht so offensichtlich sind, wie man denken könnte. In Bezug auf die Interaktion von Theorie und Experiment setzen wir uns kritisch mit der Nutzung neuronaler Netzwerke und zyklisch vorbelasteter Testdaten zu Modellierungszwecken auseinander. Beide Themenfelder verdeutlichen, dass die Erfassung und Interpretation experimenteller Messungen stark von vorherigen theoretischen Überlegungen abhängig sind. Damit verwandt ist der Aufgabenbereich der Modellkalibrierung, sobald die Funktionalform eines Materialgesetzes festgelegt ist. Dahingehend führen wir einen bayesschen Ansatz ein, mit dessen Hilfe sich die Uneindeutigkeit einer bestimmten Parameterwahl vor dem Hintergrund zwingend endlicher Datenpunkte zeigen lässt. Zusammenfassend beleuchtet die Doktorarbeit konzeptionelle und praktische Herausforderungen in der Materialtheorie mit Implikationen hinsichtlich der Vorhersagekraft von Konstitutivgleichungen in der Kontinuumsmechanik.