Numerische Strukturmechanik
Angebote Forschung und Entwicklung
- Detaillierte Untersuchung komplexer mechanischer Systeme unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte.
- Nichtlineare Kontinuumsmechanik: Modellierung materieller Nichtlinearitäten (Plastizität, Viskoelastizität) sowie geometrischer Nichtlinearitäten (große Verformungen, Kontaktinteraktionen).
- Strukturdynamik: Durchführung transienter und harmonischer Analysen zur Charakterisierung des Schwingungsverhaltens und der Betriebsfestigkeit.
- Kurzzeitdynamik: Explizite Zeitintegrationsverfahren für hochdynamische Prozesse (Impact-Analysen, Versagenssimulationen).
- Integritätsnachweis: Rechnerische Festigkeitsbewertung nach anerkannten Richtlinien (z. B. FKM-Richtlinie) und werkstoffwissenschaftlichen Kriterien.
- Ganzheitliche Abbildung physikalischer Wechselwirkungen.
- Thermomechanische Kopplung: Analyse temperaturinduzierter Spannungsfelder und deren Rückwirkung auf das Materialverhalten.
- Interdisziplinäre Simulation: Modellierung von Feldproblemen (z. B. Fluid-Struktur-Interaktion oder elektromagnetische Kopplung) zur realitätsnahen Systemabbildung.
- Entwicklung über den Standard-Funktionsumfang kommerzieller Software hinaus.
- Konstitutivgesetzgebung: Phänomenologische und mikromechanisch motivierte Materialmodellierung sowie deren numerische Implementierung (User Subroutines wie UMAT/VUMAT).
- Finite Elementtechnologien: Entwicklung und Validierung spezialisierter Elementformulierungen für singuläre Problemstellungen.
- Algorithmische Optimierung: Implementierung effizienter Pre- und Postprocessing-Routinen sowie Automatisierung komplexer Simulationsketten (Python, C++, MATLAB).
- Systematische Designentwicklung auf Basis numerischer Zielfunktionen.
- Topologie- und Formoptimierung: Mathematische Gewichts- und Steifigkeitsoptimierung unter Einhaltung fertigungstechnischer Randbedingungen.
- Sensitivitätsanalysen: Identifikation kritischer Designparameter mittels stochastischer Methoden und Design of Experiments (DoE).
Aktuelle Forschungsprojekte
Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Optimierung additiv gefertigter Bauteile durch fortgeschrittene Sensitivitätsanalysen und experimentelle Methoden.
Die additive Fertigung bietet signifikante Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden, darunter maßgeschneiderte Produkte, reduzierte Materialverschwendung, verkürzte Entwicklungszeiten und geringere Kosten für Prototypen und Lagerhaltung. Im Rahmen der Produktentwicklung spielt die Simulation der Bauteile in ihren spezifischen Anwendungsszenarien eine entscheidende Rolle. Doch sind die Ergebnisse dieser Simulationen stark von der Qualität ihrer Eingabedaten abhängig. Neben einer präzisen Geometriebeschreibung und dem konkreten Belastungsszenario sind die Materialparameter von zentraler Bedeutung für die Gestaltung und Auslegung der Bauteile. Die additive Fertigung eröffnet unterschiedliche Ansätze zur Einflussnahme auf die Materialparameter, einschließlich der Auswahl des Materials, der Fertigungsparameter und der Bauteilorientierung.
Um die Materialparameter zu identifizieren, die die Bauteileigenschaften besonders beeinflussen werden Sensitivitätsstudien durchgeführt. Diese erfordern in der Regel eine Vielzahl von Simulationen, bei denen die Materialparameter variiert werden. Das Projekt möchte hierfür eine Open Source Software schaffen, welche diese Sensitivitäten über Metamodelle bestimmt.
Im Projekt werden für additiv gefertigte Bauteile die Materialparameter bestimmt, die mit Digitaler Bildkorrelation (DIC) ausgewertet werden. Die Parameterbestimmung erfolgt durch die Lösung eines inversen Problems durch die oben genannten Ansätze zur Sensitivitätsanalyse. Dieser Ansatz ermöglichen es, Aussagen zur Güte des Experiments in Bezug auf die Parameterbestimmung zu treffen und ein Design of Experiment durchzuführen.
Weiterhin wird in dem Projekt ein deterministisches Simulationsmodell für das additiv gefertigte Bauteil und dessen Lastfälle definiert. Die Eingangsgrößen (Materialparameter, Geometrie, Lastfälle) werden durch die Simulation eindeutig auf die Ausgangsgrößen (z.B. Spannungen, Verformungen) abgebildet. Für das Bauteil können in der Regel Zielfunktionen definiert werden. Diese Zielfunktionen sind entweder technischer Natur (z.B. maximale Spannung) oder ökonomischer Natur (z.B. Materialeinsatz). Eine Sensitivitätsanalyse des deterministischen Simulationsmodells mit Bezug auf die Zielfunktionen identifiziert die wichtigsten Parameter zur Optimierung der Zielfunktion.