Ein "Rheinforce"-Verbundwerkstoff besteht aus einer laminaren Schicht aus Kork, in welche mittels Lasertechnik ein Netzwerk von Mikrokanälen eingefräst wurde, die mit einer konzentrierten wässrigen Lösung einer scher-verfestigenden Flüssigkeit gefüllt sind. Eine der wichtigsten Anwendungen ist der Einsatz als energieabsorbierende Materialschicht in persönlichen Schutzausrüstungen. Bis heute gibt es keine genaue numerische Modellierung für ein solches Material, welche allerdings für den Prozess des Designs und der Herstellung sehr nützlich wäre.

Ein virtueller dynamischer Fallturmtest kann angewendet werden, um die Dynamik der Energiezerstreuung des "Rheinforce"-Verbundmaterials zu erforschen. Vom Standpunkt der Kontinuumsmechanik kann die Dynamik als Anfangs-Randwertproblem mit der Interaktion zwischen Struktur und eingeschlossener Flüssigkeit (Fluid-Strukturkopplung), Kontaktgrenze und Festkörperdynamik betrachtet werden.

Das Open-Source Werkzeug Solids4foam (S4F) von OpenFOAM bietet einen attraktiven Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Programms zur Lösung des Anfangs-Randwertproblems. Gründe dafür sind, dass es – soweit dem Autor bekannt - keine kommerzielle Software gibt, welche so gut den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden kann, und dass S4F eine stark gekoppelte Fluid-Struktur-Interaktion mit anpassungsfähigen und austauschbaren Lösungsprogrammen für Feststoffe und Lösungen anbietet. Außerdem basieren diese Lösungsprogramme auf einem einzigen numerischen Grundgerüst, dem Finite-Volumen-Verfahren.

Leider zeigten numerische Simulationen, dass die aktuellen Finite-Volumen-Verfahren, die Teil des S4F Werkzeuges sind, d.h. das segregierte (SEG) und das kürzlich entwickelte Block-Coupled (BC) Verfahren nicht in der Lage sind, den Festkörperanteil des "Rheinforce"-Verbundmaterials unter endlichen Belastungskonditionen zu simulieren. Außerdem unterstützt die SEG-Methode allgemeine Materialien (theoretisch kann jedes Materialgesetz verwendet werden) aber die Methode ist sehr zeitaufwendig. Die BC-Methode ist schnell, kann aber nur das Hookesche Gesetz (eine infinitesimale Spannungstheorie) unterstützen.

Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung einer neuen BC-Methode, welche weitgehend die schnelle Konvergenz der ursprünglichen BC-Methode und die materielle Allgemeinheit (welche nur des Elastizitätstensors bedarf, um die rechte Nebensymmetrie zu erhalten) von SEG beibehält.

Diese Arbeit zeigt auch, dass das Field Operation And Manipulation (FOAM) Konzept in höheren Programmierumgebungen eingeführt werden sollte, um eine wichtige "Prototypisierungs-Lücke" zu schließen, welche bei OpenFOAM und S4F besteht, d.h. zwischen Konzeptentwicklung und Konzepteinsatz in einer höheren Programmiersprache.