Virtuelle Experimente an Bestandteilen der Pflanzen

Wegen der komplexen morphologischen Anatomie der Pflanzen können nicht alle Materialparameter, die für die Modelle im TP A01 benötigt werden, anhand experimenteller Daten bestimmt werden. Unsere Idee besteht darin, mit Hilfe von virtuellen Experimenten, also Simulationen an repräsentativen Materialausschnitten, das Tragverhalten der Gewebe zu simulieren und damit die im realen Experiment gewonnenen Ergebnisse anzureichern. Darüber hinaus müssen die Simulationsergebnisse mit den im realen Experiment gewonnenen Ergebnissen verglichen werden.

Die Notwendigkeit für diese nicht im Antrag für TP A01 dargelegte wissenschaftliche Arbeit hat sich aus mehreren ausführlichen Diskussionen zwischen TP A03 und TP A01 ergeben. Die im Rahmen der Botanik momentan umsetzbaren Experimente erlauben die eindeutige Beschreibung der Anisotropie des Materials noch nicht ausreichend. Ein zusätzlicher Nutzen der Ergebnisse der geplanten Arbeit liegt in wertvoller Information für das Aufsetzen zusätzlicher Experimente.

Der Pflanzenstiel kann näherungsweise als faserverstärktes Komposit betrachtet werden. Fasern und Xylem-Elemente haben wegen des Polymers Lignin in den Zellwänden einen deutlich höheren Elastizitätsmodul als Parenchym und Kollenchym (Gewebe der Matrix). Aus den bisher gewonnenen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen ist ersichtlich, dass das Materialverhalten der untersuchten Pflanzenproben stark nichtlinear ist. Daher wird für die Modellierung von Faser (Kollenchym) und Matrix (Parenchym) ein hyperelastisches Materialgesetz eingesetzt. Dabei werden für die unbekannten Parameter Annahmen getroffen.

Folgende Fragestellungen werden untersucht: 

• Inwiefern stimmen die Ergebnisse der virtuellen Experimente mit dem realen Materialverhalten der Pflanzen überein?
• Wie ändert sich das Tragverhalten der Pflanzenstrukturen beim Variieren des Faservolumenanteils?
• Welche Erkenntnisse der virtuellen Experimente lassen sich auf Carbonbetonstrukturen übertragen?
• Welche Anteile von Matrix und Fasern können in Carbonbetonstrukturen realisiert werden?