This thesis develops and assesses a partitioned coupling strategy between an implicit updated-Lagrangian Material Point Method (MPM) and a rigid body solver (RBS) for simulating rigid objects interacting with highly deformable continua. The goal is the numerical analysis of rigid bodies transported within gravity-driven granular mass flows, where reliable predictions of trajectories and interaction forces are required for engineering design. The coupling framework is implemented in the open-source Kratos co-simulation environment. Rigid body motion is described by a six-degree-of-freedom equation of motion integrated using the generalized-$\alpha$ scheme, while the continuum is modeled using an implicit MPM formulation with weak non-conforming boundary treatment via boundary particles. A Dirichlet-Neumann partitioning is adopted: the MPM side enforces interface kinematics and provides distributed tractions, and the RBS supplies the dynamic response. Two transfer operators condense boundary tractions into generalized loads and map the resulting rigid motion back to incremental boundary particle displacements, including an update of boundary normals. The RBS and the interface operators are verified by a series of analytical benchmarks. Free and forced single-degree-of-freedom oscillators confirm the correctness of the rigid body implementation, while prescribed motions and boundary tractions verify accurate motion and force transfer between both partitions. Finally, the coupled framework is applied to two representative interaction problems: a rigid cuboid sliding along an inclined MPM structure and a rigid body floating in a gravity-driven granular mass flow. The sliding test matches the analytical displacement evolution, and the mass-flow example produces a physically plausible combination of rigid body translation, rotation, and granular deformation, while small local penetrations at the interface reveal the sensitivity of penalty-based weak Dirichlet enforcement.     «

This thesis develops and assesses a partitioned coupling strategy between an implicit updated-Lagrangian Material Point Method (MPM) and a rigid body solver (RBS) for simulating rigid objects interacting with highly deformable continua. The goal is the numerical analysis of rigid bodies transported within gravity-driven granular mass flows, where reliable predictions of trajectories and interaction forces are required for engineering design. The coupling framework is implemented in the open-...     »

In dieser Arbeit wird eine partitionierte Kopplungsstrategie zwischen einer impliziten Updated-Lagrangian Material Point Methode (MPM) und einem Starrkörpersolver (RBS) zur Simulation starrer Objekte, die mit stark verformbaren Kontinua interagieren, entwickelt und bewertet. Ziel ist die numerische Analyse von Starrkörpern, die in gravitationsgetriebenen granularen Massenströmen transportiert werden, bei denen verlässliche Vorhersagen von Bewegungen und Wechselwirkungen zwischen den Medien entscheidend sind. Die Kopplung wird in der Open-Source Simulationsumgebung Kratos implementiert. Die Starrkörperbewegung folgt einer Bewegungsgleichung mit sechs Freiheitsgraden, die mit dem generalized-$\alpha$-Verfahren zeitlich integriert wird. Das verformbare Medium wird durch eine implizite MPM-Formulierung beschrieben, wobei nichtkonforme Randbedingungen über Randpartikel aufgebracht werden. Es wird eine Dirichlet-Neumann-Partitionierung verwendet, bei der die MPM-Domäne kinematische Randbedingungen entlang der Schnittstelle erhält, während der RBS die dynamische Antwort aus den von der MPM-Domäne übertragenen Kräften bestimmt. Transferoperatoren kondensieren Kontaktkräfte von Randpartikeln zu resultierenden Lasten am Starrkörperknoten und verteilen die daraus resultierende Starrkörperbewegung zurück auf inkrementelle Randpartikelverschiebungen. Die Solver und Schnittstellenoperatoren werden anhand von Benchmarktests verifiziert. Der Vergleich mit analytischen Lösungen freier und angeregter Einmassenschwinger bestätigt die Korrektheit der RBS-Implementierung. Tests mit vorgegebenen starren Bewegungen sowie vorgegebenen Randkräften zeigen eine hohe Genauigkeit der Bewegungs- und Kraftübertragung zwischen beiden Partitionen. Abschließend wird die Methode auf einen starren Quader, der entlang einer geneigten MPM-Ebene gleitet, sowie auf den Transport eines starren Körpers in einem gravitationsgetriebenen granularen Massenstrom angewendet. Der Gleitversuch stimmt sehr gut mit der analytischen Lösung der Bewegungsgleichung überein, und das Massenstrombeispiel liefert eine physikalisch plausible Kombination aus Starrkörperbewegung und granularer Deformation. Kleine lokale Penetrationen verdeutlichen jedoch die Sensitivität der penalty-basierten schwachen Dirichlet-Randbedingungen und weisen auf die Notwendigkeit einer verfeinerten Schnittstellenbehandlung hin.     «

In dieser Arbeit wird eine partitionierte Kopplungsstrategie zwischen einer impliziten Updated-Lagrangian Material Point Methode (MPM) und einem Starrkörpersolver (RBS) zur Simulation starrer Objekte, die mit stark verformbaren Kontinua interagieren, entwickelt und bewertet. Ziel ist die numerische Analyse von Starrkörpern, die in gravitationsgetriebenen granularen Massenströmen transportiert werden, bei denen verlässliche Vorhersagen von Bewegungen und Wechselwirkungen zwischen den Medien ents...     »