Kompressions- vs. Zuginduzierte Faltenbildung auf Dünnschichtstrukturen: Dreidimensionale Numerische Simulationen

Die Entwicklung von Oberflächenfalten auf Dünnschichten, die an elastischen Substraten haften, wird als Form mechanischer Instabilität anerkannt. Während dieses Faltenverhalten bei direkter Kompression der Dünnschicht vielfach untersucht wurde, wurde der Vorhersage der Faltenbildung durch Zug- und zyklische Kompressions-Zug-Deformationen bislang deutlich weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Arbeit konzentriert sich auf kompressions- vs. zuginduzierte Falten unter Verwendung einer relativ steifen polymeren Folie auf einem elastomeren Substrat als Modellsystem. Experimentelle Beobachtungen zeigen, dass sich parallel verlaufende Falten, die während unidirektionaler Kompression gebildet werden, unter Umkehrbelastung allmählich auflösen. Wenn die Dünnschichtstruktur in Zugrichtung beansprucht wird, entwickelt sich ein neues Set paralleler Falten in der senkrechten Richtung. Die zuginduzierten Falten entstehen durch die Diskrepanz der Poissonzahlen zwischen Folie und Substrat, was eine laterale Kompression in der Folie erzeugt. Mittels der eingebetteten Imperfektionstechnik in der dreidimensionalen (3D) Finite-Elemente-Modellierung wird gezeigt, dass dieser Typ von Faltübergang nahtlos simuliert werden kann. Unter der Annahme linearer Elastizität sind das gesamte Kraft-Verschiebungs-Verhalten und die Entwicklung der Falten reversibel. Die Bedingungen Zug nach Kompression und direkte Zugbelastung führen zu exakt derselben Materialantwort, inklusive der Verformungsinstabilität. Weiterführende Analysen der Effekte des Folienmoduls und der Poissonzahl werden durchgeführt und die Unterschiede im Faltenverhalten unter kompressiven und zugbedingten Belastungen gegenübergestellt.