Abgeschlossene Projekte

Forschungsprojekt in Kooperation mit der BMW Group.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter: Michael Theiler, M.Sc.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Werkstoff- und Fügestellendämpfung“ werden an der Bauhaus-Universität Weimar in Kooperation mit der BMW Group Untersuchungen zur Energiedissipation durchgeführt. Dabei werden Effekte der Materialdämpfung von metallischen Werkstoffen im Allgemeinen untersucht als auch Dissipationseffekte, die in Schnittstellen an verschraubten Bauteilen auftreten. Ziel ist die Steigerung der Berechnungsqualität von akustischen FE-Simulationen an Fahrzeugen, insbesondere am Motor-/Getriebeverbund.

Die Fahrzeugakustik spielt heutzutage eine wichtige Rolle bei der Fahrzeugentwicklung. Durch gestiegene Komfortansprüche von Fahrzeughaltern sowie durch gesetzliche Regelungen zur Verringerung von Straßenlärm sind die Hersteller gefordet, die Geräuschemmisionen immer weiter zu verringern. Quellen solcher Emmisionen sind unter anderem die Antriebsaggregate eines Fahrzeugs, der Kontakt des Fahrzeugs mit der Fahrbahn, die Luftströmung um das Fahrzeug, sowie Geräusche der verbauten Mechatronik. Diese Anregungen äußern sich dann übertragen durch Luft- und Körperschall als Innen- und Außengeräusche des Fahrzeugs, sowie als Vibrationen, die die Insassen z.B. über das Lenkrad oder die Sitze verspüren.

Auf Grund immer kürzer werdender Entwicklungszyklen wird es zunehmend wichtiger schon bevor das erste Testmodell in der Realität experimentell untersucht wird, die akustischen Abstrahlungen simulieren zu können. Mit dem Stand der Technik ist ein qualitativer Variantenvergleich heutzutage möglich. Für eine quantitative Aussage reicht die Qualität aktueller Modelle bei FE-Simulationen allerdings nicht aus.

Ein wichtiger Aspekt zur Verbesserung der Akustik-Berechnungsqualität ist die genauere experimentelle Erforschung sowie die Modellierung der Dämpfung solcher Systeme. Unter Dämpfung versteht man dabei die irreversible Umwandlung mechanischer Energie in andere Energieformen, z.B. in Wärme, Schall, Plastische Verformungsenergie, Elektrische Energie, Hydraulische Energie bei Flüssigkeiten oder auch in Bewegungsenergie angrenzender Systeme. Die Ursachen der Energiedissipation hängen von den Randbedingungen des Systems ab. So wird bspw. Energie durch Reibung mit dem umgebenden Medium dissipiert oder es tritt eine Dämpfung an den Auflagerstellen auf. Neben diesen äußeren Faktoren treten auch im Werkstoff selbst Dämpfungseffekte auf. Des Weiteren wird bei geschraubten Verbindungen infolge von Relativbewegungen der Kontaktflächen weitere Energie dissipiert.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, sowohl die Werkstoffdämpfung als auch die Fügestellendämpfung experimentell in Abhängigkeit der maßgebenden Einflussfaktoren näher zu untersuchen. Die auf diese Weise ermittelten Ergebnisse werden zur Verbesserung bestehender FE-Modelle und zur Neuentwicklung von neuen Elementtypen bzw. Materialgesetzen eingesetzt.

1.    The essential wind excitation phenomena and the underlying stochastic parameters have to be determined for the considered structures. The limit states have to be defined that should form the basis of a probabilistic assessment of the structure depending on the dynamic response. This requites to develop strategies which allow an evaluation of the dynamic structural responses in consideration to the defined limit states.

2.    Identify system parameters that will be the target variables of a structural optimization, as they have a significant influence on the aerodynamic behavior of the structure.

3.    To adapt and use efficient mathematical algorithms for robust structure optimization in order to optimize the structure with respect to the defined limit states. In the context of a computational framework to be implemented, the interface between individual components have to be developed which produces accurate and efficient results. Optimization results and variations are then to be visualized.

4.    The optimized designs are to be tested in the wind tunnel for their actual suitability on a model scale. The computational challenges of numerical simulation and stochastic optimization are very high. Therefore methods can be utilized which can reduce the computational effort by means of sensitivity analyses, metamodeling and phenomenon-based modeling.

1. Entwicklung und effiziente Implementierung von Verfahren basierend auf polymorphen Unschärfemodellierungen zur Abbildung von heterogenen Materialverhaltens in Mehrphasen-Mehrfeldsystemen unter vagen Annahmen zum Grad der Korrelation der Modelleingangsparameter und Korrelationslängen
2. Implementierung der Strategie für Strömungsprobleme in porösen, sich verformenden Materialien unter nicht-isothermalen Randbedingungen
3. Vergleich der Ergebnisse, insbesondere auf die berechnete Zuverlässigkeit, zwischen neuen Ansatz und klassischen stochastischen Verfahren

Dieses Projekt wird von der Forschungsvereinigung Stahlanwendungen e.V. (FOSTA) gefördert.

Projektleiter: Dr.-Ing. Volkmar Zabel
Projektbearbeiter: M.Sc. Simon Höll
Förderungszeitraum: 01.01.2012 - 31.12.2013
Projektpartner: RWTH Aachen, Institut für Stahlbau

Der Anprall von Fahrzeugen an Schutzeinrichtungen, wie Stahl-Leitplanken oder Beton-Gleitwände, wurde bisher hauptsächlich mit realen Anprallexperimenten untersucht. Die Messdaten dieser Versuche (Video-, Beschleunigungs-, Dehnungsmessdaten etc.) dienten zur Beurteilung Einsatzmöglichkeit der getetsten Schutzsysteme z.B. auf Brücken, an Seitenrändern und auf dem Mittelstreifen.

Ziel dieses Projektes ist es, den Wissensstand (aus realen Anprallversuchen) zum prinzipiellen Verhalten von Schutzeinrichtungen aus Stahl und Beton im Anprallereignis (durch Simulationsbetrachtungen) systematisch zu erweitern.

Mögliche Einflussfaktoren auf den Verlauf und die Auswirkungen des Anpralls von Pkw, Bussen, Lkw an Schutzeinrichtungen sollen detektiert und mit Hilfe der FE-Methode in einer computergestützten Simulation unter Einsatz von LS-DYNA analysiert bewertet werden.

Fenite Elemente Modell eines 38-t Sattelzuges (Klick zum Vergrößern)

Video einer LS-DYNA Simulation eines 38-t Lkw an eine Super-Rail plus Stahlschutzpla

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG.

Profektlaufzeit: 01.03.2010-28.02.2013
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Andrea Keßler

Adaptive 3D-Gitterdiskretisierung mittels Octree-Datenstrukturen zur Verringerung der Anzahl der Freiheitsgrade.

Mehrphasenelemente zur Abbildung der Phasengrenzen und -übergänge: Reine Gitterdiskretisierungen bilden den Verlauf der Materialgrenze stu?g und den Übergang unstetig ab. Daraus resultieren Singularitäten, die zu numerischen Schwierigkeiten führen. Durch die Verwendung von Mehrphasenelementen, die den Verlauf der Phasengrenze C1 -stetig und den Übergang mindestens C0 -stetig abbilden, treten diese Probleme nicht mehr auf. Desweiteren kann durch die verschmierte Abbildung des Materialübergangs über eine materialspezi?sche Länge ?, die Realität einer rauhen bzw. verzahnten Materialübergangsschicht besser abgebildet werden.

Nichtlokale Materialformulierung: Die Simulation der Schädigung soll durch ein nichtlokales kontinuumsmechanisches Schädigungsgesetz erfolgen. Dieses ist auf die heterogene Bereiche anzupassen. Die Berechnung erfolgt inkrementell-linear mittels schrittweiser Anpassung der geschädigten Materialparameter.

Zur Lösung der großmaßstäblichen mikromechanischen Modelle müssen effektive iterative Lösungsmethoden angewendet und entwickelt werden. In diesem Projekt ist die Verbindung der Methode der konjugierten Gradienten mit dem Mehrgitterverfahren als elementweises Lösungsverfahren vorgesehen. Diese sind für die oben genannten Verfahren, die im Rahmen dieses Projektes entwickelt werden, anzupassen.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Timon Rabczuk
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Daniel Arnold
Förderungszeitraum: 2010 - 2013

Gegenstand dieses Forschungsantrages ist ein Mehr-Skalen-Ansatz zur Modellierung von quasi-sprödem Materialversagen, der die mikroskopische Rissbildung mit einem makroskopischen Ansatz koppelt. Hierbei wird auf beiden Skalen auf neue moderne Diskretisierungsverfahren zurückgegriffen, die in der Lage sind, beliebige Risspfade automatisch ohne aufwendiges Remeshing zu handhaben. Dazu sind erweiterte (extended) netzfreie Verfahren sowie die ’EXtended’ Finite Element-Methode (XFEM) vorgesehen. Es werden besondere mikromechanische Eigenschaften bezüglich des jeweils betrachteten Werkstoffes berücksichtigt. Bei dem vorgestellten Mehr-Skalen-Ansatz werden die Eigenschaften auf der mikroskopischen Skale in das makroskopische Materialverhalten eingebettet. Hierzu wird ein Homogenisierungsansatz verwendet. Homogenisierungsansätze sind bislang erfolgreich auf Problemstellungen bei gleichbleibender Mikrostruktur angewendet worden. In diesem Forschungsvorhaben wird dieser Ansatz auf ’veränderliche’ Mikrostrukturen erweitert, wie sie bei der Initiierung und Ausbreitung von Mikrorissen entstehen. Dabei ist die Beziehung der Grösse der beiden Skalen, die Korrelationslänge sowie die Elementgrösse zu berücksichtigen. Eine Hauptaufgabe wird sein, die relativen Längenskalen-Parameter der mikroskopischen und makroskopischen Skale zu identifizieren.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Timon Rabczuk
Projektbearbeiter:
Förderungszeitraum: 2010 - 2013

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird ein robuster Ansatz zur Modellierung von Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) für dünne Schalen mit Material/Strukturversagen vorgestellt. Derartige Problemstellungen interessieren insbesondere im Behälterbau, Rohrleitungsbau, Schiffsbau und in der Luft- und Raumfahrttechnik. Es gibt bereits sehr viele Methoden, die sich mit der Interaktion von Fluiden mit intakten Strukturen beschäftigen. Ebenso findet man zahlreiche Methoden zur Modellierung von Material/Strukturversagen. Ansätze zur Modellierung von Strukturversagen unter FSI-Bedingungen gibt es wenige. Die meisten FSI-Verfahren würden bei Versagen der Struktur eine starke Modifikation des FSI-Algorithmus erfordern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird ein FSI-Ansatz vorgestellt, der die Interkation von kompressiblen Fluiden mit intakten und versagenden dünnen Strukturen gleichermassen behandelt. Hierfür wird das Fluid durch eine netzfreie oder hybride Lagrange-Methode abgebildet, die grosse Verformungen des Fluides modellieren kann. Die dünne Schale wird durch eine FE-Formulierung mit C1-Verschiebungskontinuität modelliert und das Versagen der Schale wird mit Hilfe eines Partition-of-Unity Ansatzes realisiert. Die FSI-Kopplung basiert auf einem Master-Slave Prinzip, bei der die Struktur »slave» zum Fluid ist. Der Forschungsantrag passt thematisch in das Graduiertenkolleg 1462 »Bewertung gekoppelter numerischer Partialmodelle im konstruktiven Ingenieurbau«.

Project head: Prof. Dr.-Ing. Timon Rabczuk
Project employee: M.Sc. Pattabhi Ramaiah Budarapu
Funding period: 2010 - 2013

In this research project, a new adaptive multi scale method for modeling material failure will be investigated. It is based on Bridging Domain (BDM) coupling. Atomistic approach is adapted on the fine scale for accurate modeling of the material failure around the crack tip, while continuum approach is ensured in the far areas of crack tip. In other words on the coarse scale (macro scale) i.e the continuum level, the extended finite element methods (XFEM) is used, which allows to model the cracks without remeshing. The bridging between atomistic and continuum domains is implemented through BDM. The BDM is an overlapping domain decomposition method in which the atomistic and continuum energies are blended so that their contribution decay to their boundaries on the overlapping sub-domain. Compatibility between the continua and atomistic domains is enforced by a continuous Lagrange multiplier field. The advantages of BDM as compared to many other coupling techniques include:

1. FE nodes does not required to be placed at the position of the atoms.

2. It is capable of removing spurious wave reflections.

The computation becomes expensive with the size of the atomistic model in BDM. Hence techniques like adaptive refinement (moving atomistic models around the regions close to the crack tip) will be investigated. 3D dynamic crack models incorporating adaptive refinement is the final goal of the research.

The sponsor of this project is the German Academic Exchange Service (DAAD)

Supervisor: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Ph.D. student: Ing. Tareq Hatahet, M.Sc.

In order to improve the level of structural safety, means of structural analysis, design and mitigation will be addressed and developed at close link with the international structural design guidelines and standards.The major foreseen contribution will be toward simplifying modelling requirements making the disproportionate collapse resistant design affordable at the level of structural design office.

The disproportionate collapse can happen when structural load bearing element(s) fails due to abnormal event causing the remaining parts of the building to fail subsequently leading to complete collapse of the building. Good example of this phenomenon is the Ronan Point apartment tower (UK) failed due to natural gas accidental explosion in one of the kitchens at the corner of the building in West Ham, London in May 1968. Another example is the collapse of the 28 levels building of Windsor Tower in Madrid (Spain) in Feb. 2005 as a result of fire in the 21st story damaged the load bearing capacity of the central core of the building ended in the full collapse. Many other examples of progressive collapse happened due to accumulative time dependent actions such as the collapse of the historical bell tower of the medieval church of St Maria Magdalena in Goch, Germany (Wikipedia, 2011). So, there are a need for deployment of the state-of-the-art knowledge and computing power in the know-how development of smart building designs which is versatile enough to accommodate abnormal accidental damage without potential losses of human and properties.
The added-value of the proposed research is to improve the response of buildings to unforeseen incidents increasing the level of safety without significant increase in the construction cost when compared to the future gained value of the improved level of safety. This topic have proved fruitful especially in comparison with the current seismic design practice of buildings where the required outcomes are achieved without significant increase in design factors of safety (Liel el al, 2001) and (Khandelwala, 2011), where safe design require special caution in joints, members details and checks of structural integrity which lead to successful performance outcomes. Similar precautions can also improve the resistance for progressive collapse but with attention to certain design scenarios and indicators which are the interest of this proposed research.
Initiating events that can cause the progressive (disproportionate) collapse are various, for example; accumulated aging effects, car impact, gas explosion, the potential of terrorist attack, conflict and military actions, in addition to the unseen accumulative actions such as ground settlement, creep and shrinkage of old constructions.

The sponsor of this project is the German Research Foundation (DFG).

Supervisor: Prof. Dr.-Ing. Timon Rabczuk
Ph.D. student: Mohammad Silani

In dem Forschungsvorhaben wird die Entwicklung und Validierung einer dreidimensionale Mehrskalen-methode zur Simulation des Bruchverhaltens von ’Nano-Composites’ vorgestellt. Nano-Composites bestehen aus einer Polymer-Matrix und Bewehrung (aus tom). Die Bewehrung verspricht die mechanischen und thermischen Eigenschaften von ’reinen’ Polymeren deutlich zu verbessern. Es müssen drei Skalen verknüpft werden: die Nano-Skale mit der Mikro-Skale mit Hilfe einer hierarchischen Kopplung und die Mikro-Skale mit der Makro-Skale mit Hilfe einer simultanen (=concurrent) Kopplung, der ’Partition-of-Unity’ angereichterten Arlequin Methode. Um das Bruchverhalten auf der Mikro-Skale und Makro-Skale zu modellieren soll die erweiterte Finite Element Methode (XFEM) verwendet werden. Auf der Nano-Skale sollen Simulationen basierend auf der Molekulardynamik (MD) durchgeführt werden, um die Eingangsparameter (=Materialparameter) auf der Mikro-Skale zu bestimmen. Kohesive Modelle werden auf der Mikro-Skale verwendet, da die Prozesszone in Nano-Composites relativ gross ist. Nach bestem Wissen ist dies der erste Ansatz einer dreidimensionalen Mehrskalenmethode, die 1. mehr als zwei Skalen überbrückt und 2. auf das Bruchverhalten von Polymer-basierten Werkstoffen angewendet wird. Die Methode wird durch Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen validiert. Das letztendliche Ziel ist es ein besseres Verständnis zum Bruchverhalten von Nano-Composites zu erlangen, um makroskopische Stoffgesetze zu verbessern und die Entwicklung solcher Materialien zu unterstützen (Computational Materials Design).

Dieses Projekt wird durch die Richtlinienförderung des Thüringer Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur unterstützt.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter: Michael Schwedler, M.Sc.
Förderungszeitraum: 01.10.2009 - 31.03.2012

Bei der Planung von konstruktiven Ingenieurbauwerken sind komplexe Zielkriterien in einem ganzheitlichen Entwurf zusammen zu führen. Insbesondere sind Funktionalität, Tragsicherheit, Dauerhaftigkeit, Nachhaltigkeit und Gebrauchstauglichkeit zu berücksichtigen. Ein gelungener Entwurf erfüllt jedoch nicht nur die gesetzten Ziele und die gegebenen Randbedingungen in optimaler Weise, sondern er ist zudem robust gegenüber Störungen der Eingangsdaten sowie Unsicherheiten der Modellabstrahierung.

Gegenstand der Forschungsarbeit sind grundlegende neuartige Konzepte, Modelle und Methoden für visuell orientierte Entwurfs- und Simulationsumgebungen, welche besser als bisher das Erstellen von robusten Entwürfen unter Beachtung der Zielkriterien unterstützen. Um dies zu erreichen, arbeiten sechs Wissenschaftler der Fakultäten Bauingenieurwesen und Medien in drei Projektgruppen interdisziplinär zusammen:

• Die erste Gruppe, welche von Mitarbeitern des Instituts für Strukturmechanik (ISM) und der Professur Informatik im Bauwesen gebildet wird, beschäftigt sich - anhand des Beispiels von Brückenbauwerken - mit neuen Strategien für den robusten Entwurf.
• In einer zweiten Gruppe wird untersucht, wie verschiedene Modelle und Modellebenen adaptiv und nachvollziehbar gekoppelt werden können, um die aufgestellten Robustheitsstrategien auf gesamtheitliche Simulationen anwenden zu können.
• Von der dritten Projektgruppe werden die Simulationsergebnisse mittels innovativer Techniken visualisiert. Erst die konsequente visuelle Aufbereitung der Simulationsergebnisse erlaubt eine sichere Bewertung der Analyseergebnisse und stellt somit einen wesentlichen Beitrag zur Bewertung eines Entwurfs dar.

Im Rahmen des beschriebenen Projektkontexts wird am ISM untersucht, ob - anders als gegenwärtig üblich - mit der Verwendung eines einzigen geometrischen Modells für die Entwicklung des Entwurfs in einem CAD-System und für die numerische Analyse des Entwurfs in einer FEM-Applikation ein Robustheitsgewinn zu erzielen ist. Voraussetzung dafür ist eine Geometriebeschreibung, welche sowohl im Bereich des CAD als auch der FEM verwendet werden kann. Der verfolgte Lösungsansatz basiert auf NURBS (non-uniform rational b-splines), welche im Computergrafikbereich bereits vor vielen Jahren zu einem Standard geworden sind, für numerische Berechnungen aber erst seit einiger Zeit verwendet werden und hier bisher nicht in kommerziellen Programmen zum Einsatz kommen.

Dieses Projekt erfolgt in Zusammenarbeit mit der MTU Aero Engines AG

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Ingmar Stade
Förderungszeitraum: 01.05.2007 - 31.10.2010

CT-Ausschnitt Nickelbasis-Superlegierung

Die Notwendigkeit der Entwicklung von immer effizienteren, leichteren Endprodukten erfordert in einer Vielzahl von Ingenieurdisziplinen eine zunehmende Ausnutzung der eingesetzten Werkstoffe in den entworfenen Konstruktionen. Dies hat allerdings zur Folge, dass durch den Produktionsprozess unvermeidbare Fehler in den Bauteilen einerseits erkannt und andererseits die Auswirkungen dieser Schwachstellen beispielsweise auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit quantifiziert werden müssen. Hierbei hat sich die Computertomografie (CT), auch außerhalb medizinischer Fragestellungen, als ein wichtiges Verfahren etabliert. Es können dabei bereits Details (z.B. Mikroporen) mit einem Durchmesser im Micrometerbereich aufgelöst und abgebildet werden. Das Institut für Strukturmechanik beschäftigt sich mit der Weiterverarbeitung der aus den CT-Scans gewonnenen dreidimensionalen Bilddaten zu FE-Modellen, sowie deren Anwendungen in numerischen Simulationen. Dabei werden sowohl Fragestellungen der robusten geometrisch exakten Konvertierung in qualitativ hochwertige FE-Netze, als auch die effektive numerische Auswertung der aufgrund der hohen Auflösung extrem großen FE-Modelle behandelt.

Operative Eingriffe im Brustkorbbereich sind oft mit einer mittigen Durchtrennung des Brustbeines verbunden. Nach der erfolgten Operation soll das Brustbein soweit in seiner Lage fixiert werden, dass der Brustbeinknochen an der Schnittstelle wieder zusammenwachsen kann. Dazu sind in der Chirurgie unterschiedliche Fixierungstechniken und Hilfsmittel im Einsatz, deren Wirksamkeit bisher überwiegend in klinischen Studien oder an experimentellen Modellen untersucht wurden und beispielsweise vom Alter bzw. dem individuellen Typ des Patienten abhängig ist. In Zusammenarbeit mit Ingenieuren erschließen sich den Ärzten mit der Entwicklung moderner Simulationsverfahren neue Möglichkeiten zur Untersuchung von auftretenden Kräften und Verschiebungen im fixierten Sternum des menschlichen Brustkorbes.

Lastfall Atmen Summe der Verschiebungen (Movie)

Ziel des Forschungsprojektes ist es, mit diesen Verfahren das mechanische Tragverhalten des menschlichen Brustkorbs den individuellen Bedingungen jedes einzelnen Patienten angepasst zu simulieren und somit gezielt die jeweils bestmögliche Technik der Fixierung nach Brustbeindurchtrennungen zu finden. Dazu wird ausgehend von medizinischen Bilddaten für jede Patientensituation ein CAD-Modell des Brustkorbskeletts erstellt und in eine FE-Diskretisierung überführt.

Erste Erfahrungen bei der Anwendung zweier unterschiedlicher Schlaufenfixierungen (Parallelschlaufe und Achterschlaufe) brachten Ergebnisse, die zu erfolgreichen Modifikationen in der Operationstechnik führten.

Weitere Untersuchungen richten sich auf die Verbesserung der Simulationen des im allgemeinen physikalisch und geometrisch nichtlinearen Materialverhaltens der unterschiedlichen Knochenstrukturen im Mikro- und Makrobereich, des Verhaltens im Kontaktbereich zwischen den Knochen und im Zusammenwirken mit unterschiedlichen Implantatfixierungen.

Literatur:

Bruhin et al. 2005, Bruhin,R., Stock, u.A., Drücker, J.-P., Azhari,T., Wippermann, J., Albes,J.M., Hintze,D.,Eckardt,S., Könke,C., Wahlers, T: Numerical Simulation Techniques to Study the Structural Response of Human Chest Following Median Sternotomy. The Society of Thoracic Surgeons, 80 (2005) 623-30, Elsevier

Drücker,J.-P.: Untersuchungen zur automatisierten Erstellung eines numerischen Modells zur Analyse von Brustkorbfixierungstechniken nach operativen Eingriffen. Diplomarbeit, Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Strukturmechanik , 2002 (pdf)

Döring, Bernd: Untersuchungen von numerischen Simulationsmodellen zur Analyse des Tragverhaltens von Brustbeinfixierungen nach operativen Eingriffen Diplomarbeit, Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Strukturmechanik , 2002 (pdf)

Dieses Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Kai Schrader
Förderungszeitraum: 01.12.2008 - 30.11.2011

Die Entwicklung von neuen Werkstoffen in vielen Bereichen des Bauingenieurwesens und des Maschinenbaus basiert immer stärker auf Materialexperimenten, die im Computer simuliert werden und immer weniger auf realen werkstoffmechanischen Experimenten im Labor. Dabei entwickeln sich die numerischen Simulationsmodelle zunehmend von den phänomenologischen Betrachtungen der Makroskala zu werkstoffmechanischen und –physikalischen Modellen der Meso-, Mikro- und Nanoskala. Mit diesen Modellen lassen sich beispielsweise Schädigungsvorgänge in bisher nicht gekannter Genauigkeit prognostizieren.

Abb. 1: Links: REM-Aufnahme einer Anschliffprobe von ultrahochfestem Beton (UHPC), 28d, Graue Einschlüsse: Quarzkörner, Helle Areale: Bindemittelmatrix mit unhydratisiertem Zement (Bild: FIB, BU Weimar 2006); Rechts: 3D-Substruktur eines hybrid vernetzten Einschluss-Matrix-Verbundes in SLang.

In diesem Forschungsprojekt beschäftigen wir uns mit Lösungsansätzen zur numerischen Simulation mikrostruktureller Schädigungsvorgänge in mehrphasigen Verbundmaterialien, um damit zu verbesserten Simulationsmethoden für die Lebensdauerprognose beispielsweise von Beton- und Stahlbetontragwerken zu gelangen. Im Projekt sollen effiziente FEM-Simulationsmethoden entwickelt werden, mit denen die heterogene Gefügestruktur in hoher Auflösung auf der Mikroskala abgebildet werden kann. Hierzu werden gitterbasierte als auch adaptive Diskretisierungsverfahren mit entsprechenden Lösungsstrategien eingesetzt, mit denen eine hohe Auflösung besonders im Bereich der Phasengrenzen möglich wird. Ein Nachteil der Gitterdiskreti- sierungen, insbesondere im Rahmen von Analysen des physikalisch nichtlinearen Verhaltens, sind die Spannungssingularitäten im Bereich der nichtglatten Phasenübergänge. Hier können adaptiv hybride Diskretisierungsmethoden eine Lösung bieten.

Die hier zu entwickelnde Simulationsmethodik soll es in Zukunft ermöglichen, die nach einer automatischen Bildverarbeitung der computertomografischen Daten (siehe Abbildung) generierten mehrphasigen 3D-Modelle (bestehend z.B. aus Matrixmaterial, Einschlüssen, Interfacezone, Luftporen) effizient berechnen zu können.

Abb. 2: Farbliche Übergänge markieren die Kopplungsränder ? der diskretisierten Steklov-Poincaré-Operatoren eines partitionierten Lösungsansatzes für die unstrukturierte (hybride) Vernetzung.

Schwerpunkte:

3D-Modellierung der Gefügestruktur mehrphasiger Teilchenverbunde

Hybrider Diskretisierungsansatz durch Kombination von gitterbasierten mit adaptiven Verfahren sowie Verwendung von dualen/gemischten Methoden

Entwicklung von effizienten Lösungsstrategien unter simultaner Verwendung von iterativen und direkten Gleichungslösern für hybrid adaptive Diskretisierungen

Partitionierte Lösungsansätze: Nichtüberlappende Gebietsdekompositionsmethoden (DD-Methoden), iterative (schurkomplementfreie) und direkte Substrukturverfahren; Parallelisierungstechniken

Diskrete und kontinuumsmechanische Schädigungsmodellierung

MPI-basiertes Hochleistungsrechnen und hybrides CPU-GPU Clustering

Journals

Schrader, K., Könke, C.: "Finite element procedures for distributed ccNuma computing based on nodal compressed row storage". International Journal for Parallel Programming, January 2011, submitted.

Schrader, K., Könke, C.: "Hybrid computing models for large-scale heterogeneous 3D microstructures". International Journal for Multiscale Computational Engineering, October 2010, accepted.

Tagungsbeiträge | Proceedings

K. Schrader and C. Könke: “Hybrid computation model for decomposed PDEs arising from heteregeneous 3d microstructures.“, In Proceedings of the 10th International Conference of Computational Structure Technology (CST2010), September 14 – 17, 2010, Valencia, Spain, 2010.

K. Schrader and C. Könke: “Efficient computation of saddle-point approximations based on dual-primal FETI methods.“, In Proceedings of 21th Forum Bauinformatik, University Karlsruhe & Karlsruhe Institute of Technology (KIT), September 23 – 25, 2009, Karlsruhe, Germany, 2009.

K. Schrader and C. Könke: “Decomposition and computation of irregular heterogeneous elas­ti­­city problems by modified FETI-DP techniques.”, 10th. US National Congress on Compu­ta­tio­nal Me­ch­anics (USNCCM-10) July 16 – 19, 2009, Columbus, Ohio/USA, 2009.

K. Schrader, S. Dietsch and C. Könke: „Sparse approximate computation of Saddle Point pro­blems arising from FETI-DP discretization.”, In Proceedings of the International Conference on the Appli­ca­tions of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering (IKM), July 7 – 9, 2009, Bauhaus-University Weimar, 2009.

K. Schrader and C. Könke: "Multi constraint mesh partitioning and hybrid solution strategies for 3d simulation of heterogeneous microstructures.”, 8th. World Congress on Computational Mechanics (WCCM8)/5th. European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2008) June 30 – July 5, 2008, Venice, Italy, 2008.

Most, T., S. Eckardt, K. Schrader and T. Deckner: "An improved cohesive crack model for combined crack opening and sliding under cyclic loading.", In K. Gürlebeck and C. Könke (Eds.), Proceedings of the 17th International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering, Weimar, Germany, 2006.

Dieses Projekt ist ein EU-Verbundprojekt, das durch den Europäischen Forschungsfonds für Kohle und Stahl gefördert wird.

Projektleiter: Dr.-Ing. Volkmar Zabel
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Maik Brehm
Förderungszeitraum: 01.07.2009 - 30.06.2012

Projektpartner: Consorzio Pisa Ricerche (Koordinator), RIVA Acciaio S.p.A., VCE Holding GmbH, Katholieke Universiteit Leuven, LMS International, Bauhaus-Universität Weimar, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Università di Bologna, Rete Ferroviaria Italiana S.p.A., Österreichische Bundesbahnen

Link zur Projektseite: fadless.cpr.it

Ermüdungsriss am Lagerdetail

Materialermüdung ist ein wichtiger Aspekt für viele bestehende Eisenbahnbrücken in Stahl- oder Verbundbauweise aufgrund der hohen Lastwechselzahlen, die sie in ihrer Lebensdauer erfahren. Auch wenn die Beurteilung der Ermüdungsproblematik in entsprechenden Normen und Richtlinien behandelt wird, so werden nicht alle Aspekte abgedeckt, wie Ermüdungserscheinungen infolge von Schwingungen und spezielle Verformungszuständen. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll eine Methode zur Beurteilung des Tragwerkszustands und der Restnutzungsdauer entwickelt werden ,die insbesondere Schwingungs- und Verformungsinduzierte Effekte einschließt. Zu diesem Zweck werden u.a. verbesserte Ansätze zur Beschreibung der Verkehrslasten sowie für die Problematik entwickelte experimentelle und numerische Vorgehensweisen verwendet.