Papier ist ein vielseitig verwendetes Material, dessen Anwendungsgebiete über die zumeist primär assoziierte Funktion als Schreib- und Druckmaterial hinausreichen. So dient es unter anderem als Verpackungsmaterial im Logistik- und Nahrungsmittelbereich oder findet in Form von Wabenstrukturen Anwendung in Möbeln. Da dem Papier ein nachwachsender Rohstoff zugrunde liegt und es vergleichsweise einfach recycelt werden kann, wird Papier auch in Zukunft einen bedeutenden Stellenwert als Ausgangsstoff besitzen.

Obwohl Papier seit geraumer Zeit in industriellen Prozessen hergestellt und verbessert wird, fehlt es an geeigneten Simulationstools für Strukturberechnungen und Optimierung der Materialeigenschaften. Dies ist unter anderem darin begründet, dass die dem Material zugrundeliegende Mikrostruktur, bestehend aus zu Netzwerken verbundenen Fasern, die makrostrukturellen Eigenschaften bestimmen. Daher ist das Ziel dieses Projektes, diese Lücke zu schließen. Es wird eine numerische Modellierungsstrategie entwickelt, die sowohl eine effiziente Vorhersage des Materialverhaltens auf Struktureben bietet, als auch mikrostrukturelle Effekte abbilden kann.

Dieser Modellierungsstrategie zufolge wird ein repräsentatives Volumenelement (RVE) eines Fasernetzwerks erstellt und in das FE²-Konzept eingebunden. Dabei wird zunächst die Frage der erforderlichen Größe zur Repräsentativität adressiert. Des Weiteren werden die Auswirkungen statistischer Verteilungen geometrischer Daten und materieller Parameter auf die effektive Netzwerkantwort untersucht. Der repräsentativen Abbildung der Netzwerke geht die Modellierung der einzelnen Faser durch ein geeignetes elasto-plastisches Materialmodell voraus. Hinzu kommt die Analyse und Simulation der Faserverbindungen, um geeignete Kontaktparameter für eine kohäsive Kontaktformulierung zu bestimmen. Im Anschluss an die RVE-Bestimmung erfolgt die Einbindung in das FE²-Konzept. Darin wird die Materialantwort auf der Strukturebene (Makroskala) mithilfe der Netzwerkebene (Mikrostruktur) ermittelt. Die Validierung der beschriebenen Modellierungsstrategie anhand von Experimenten, die typische Belastungen bei Papieranwendungen widerspiegeln, ist ebenfalls Teil des Projektvorhabens.