Willner, Kai, Prof. Dr.-Ing. habil.

Prof. Dr.-Ing. habil. Kai Willner

Department Maschinenbau (MB)
Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM, Prof. Steinmann)

Raum: Raum 00.039
Egerlandstr. 5
91058 Erlangen

 

Modellierung und Simulation von Systemen mit unsicheren Parametern

Die meisten in den Ingenieurwissenschaften gebräulichen Rechenverfahren, wie z.B. die Finite Element Methode in der Mechanik, setzen genau bekannte Modellparameter als eine wesentliche Grundlage für den Erfolg ihrer Berechnungen voraus. Im Falle unsicherer Modellparameter muss so vor Beginn der Rechnung der „wahrscheinlichste“ Wert für jeden dieser Parameter bestimmt und dem Rechenverfahren als „scharfer Wert“ zur Verfügung gestellt werden. Die Ergebnisse des Verfahrens sind dann wiederum „scharfe Werte“, die dem Benutzer eine scheinbare Exaktheit vorspiegeln, die unter Berücksichtigung der unsicheren Voraussetzungen jedoch in der Realität kaum ihre Entsprechung findet.
Mit Hilfe der Fuzzy-Arithmetik ist es nun möglich, auch a priori unsichere Parameter mit ihren „unscharfen Werten“ zu verarbeiten, wobei das anfängliche Mehr an Information im Rechenverfahren seine volle Berücksichtigung findet.
Es werden Konzepte, Verfahren und Programmpakete entwickelt, mit deren Hilfe verschiedenste ingenieurwissenschaftliche Problemstellungen unter Einbeziehung unsicherer Modellparameter zufriedenstellend gelöst werden können.

Kontaktmechanik

  • Entwicklung konstitutiver Kontaktgesetze
  • Effiziente Kontaktalgorithmen für die FEM

Methode der finiten Elemente

Die Finite-Elemente-Methode (FEM, englisch: finite element method) ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Berechnung komplexer Konstruktionen im Maschinenbau, im Apparatebau, in der Fahrzeugtechnik, in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Bauwesen. Der Einsatz erfolgt dabei nicht nur für Standardprobleme der Festigkeitsberechnung und der Schwingungs- und Stabilitätsuntersuchung, sondern auch für Spezialaufgaben, wie z.B. für Aufgaben der Bruch- und Kontaktmechanik oder bei extrem großen Deformationen und plastischen Beanspruchungen, wie sie etwa bei Crash-Untersuchungen auftreten.
Alle genannten Beispiele entstammen der Strukturmechanik, jedoch ist die Methode der finiten Elemente nicht darauf beschränkt. Prinzipiell kann jedes andere Feldproblem, das durch partielle Differentialgleichungen beschrieben wird, mit Hilfe der FEM gelöst werden.
Ein typisches Beispiel ist die Wärmeleitung. Auch Probleme der Hydro- und Aerodynamik oder der Akustik lassen sich lösen. Hier sind jedoch andere Verfahren, wie die Randelemente-Methode (BEM, englisch: boundary element method), häufig besser geeignet, da es sich um unendliche oder halbunendliche Gebiete handeln kann, die durch eine Randformulierung sehr viel besser erfaßt werden können.
Die FEM ist von Vorteil, wenn es sich um ein klar begrenztes Gebiet handelt, wie zum Beispiel bei der Strömungsberechnung in einem Hafenbecken oder der Innenraumakustik eines Fahrzeugs. Ähnliches gilt bei der Untersuchung elektromagnetischer Felder.
Ein immer mehr in den Vordergrund tretender Aspekt ist die Behandlung gekoppelter Feldprobleme, wie zum Beispiel thermomechanische Aufgabenstellungen. Dies umfaßt die Berechnung von wärmeinduzierten Spannungen, aber auch die Berechnung von Formgedächtniselementen, die thermisch aktiviert werden. Die sich rapide ausbreitende Verwendung piezomechanischer, magnetostriktiver oder elektrorheologischer Materialien als Aktoren und Sensoren macht die gekoppelte Berechnung elektrischer bzw.magnetischer Felder mit mechanischen Größen nötig. Darüberhinaus treten gekoppelte Probleme als Interaktionsproblem zwischen Gebieten mit verschiedenen Feldgrößen auf. Ein typisches Beispiel ist hier die Fluid-Struktur-Kopplung bei akustischen Fragestellungen.
Einen Überblick über die FEM-Resourcen im Internet mit Zugang zu frei verfügbarer Software gibt Finite Element Analysis.

Aktuelle Forschungsprojekte:

  • Erforschung der Mechanik des Gehirns (EBM): Verständnis, Engineering und Nutzung mechanischer Eigenschaften und Signale in der Entwicklung, Physiologie und Pathologie des zentralen Nervensystems

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)

    Laufzeit: 1. Januar 2023 - 31. Dezember 2026
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB / TRR)
    Abstract

    Das zentrale Nervensystem (ZNS) ist unser komplexestes Organsystem. Trotz enormer Fortschritte in unserem Verständnis der biochemischen, elektrischen und genetischen Regulation der Funktion und Fehlfunktion des ZNS sind viele grundlegende Prozesse und Krankheiten immer noch nicht vollständig verstanden. Zum Beispiel können Axon-Wachstumsmuster im sich entwickelnden Gehirn derzeit nicht allein auf der chemischen Umgebung, auf die Neuronen treffen, gut vorhergesagt werden. Mehrere ZNS-bezogene Krankheiten können bei lebenden Patienten nicht präzise diagnostiziert werden, und die Regeneration von Neuronen nach Rückenmarksverletzungen ist immer noch nicht möglich.

    Während vieler Entwicklungs- und pathologischer Prozesse sind Neuronen und Gliazellen in Bewegung. Grundsätzlich wird Bewegung von Kräften angetrieben. Daher interagieren ZNS-Zellen mechanisch mit ihrem umgebenden Gewebe. Sie haften an benachbarten Zellen und der extrazellulären Matrix mithilfe von Zelladhäsionsmolekülen, die Reibung erzeugen, und erzeugen Kräfte mithilfe von Zytoskelettproteinen. Diese Kräfte werden nicht nur zur Fortbewegung genutzt, sondern auch, um die mechanischen Eigenschaften der Umgebung zu erkunden, was eine lange Zeit vernachlässigte Auswirkungen auf die Zellfunktion hat.

    Erst kürzlich haben Projektleiter dieses Konsortiums und einige andere Gruppen weltweit einen wichtigen Beitrag mechanischer Signale zur Regulation der Funktion von ZNS-Zellen entdeckt. Zum Beispiel haben sie gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften von Hirngewebe das Axonwachstum und die Wegfindung in vivo beeinflussen, dass mechanische Kräfte eine wichtige Rolle bei der Faltung der Hirnrinde im sich entwickelnden menschlichen Gehirn spielen, dass das Fehlen von Remyelinisierung im gealterten Gehirn auf eine Zunahme der Hirnsteifigkeit in vivo zurückzuführen ist und dass viele neurodegenerative Erkrankungen mit Veränderungen in der Mechanik von Gehirn und Rückenmark einhergehen. Diese ersten Erkenntnisse legen nahe, dass die Mechanik zu vielen anderen Aspekten der Funktion des ZNS beiträgt und es wahrscheinlich ist, dass chemische und mechanische Signale auf zellulärer und Gewebeebene intensiv interagieren, um viele verschiedene zelluläre Prozesse zu regulieren.

    Der SFB 1540 EBM bündelt das Fachwissen von Ingenieuren, Physikern, Biologen, medizinischen Forschern und Klinikern in Erlangen, um die Mechanik als wichtigen, jedoch fehlenden Puzzlestein in unserem Verständnis von der Entwicklung, Homöostase und Pathologie des ZNS zu erforschen. Unser stark multidisziplinäres Team mit einzigartigem Fachwissen in der Mechanik des ZNS integriert fortgeschrittene in-vivo-, in-vitro- und in-silico-Techniken über verschiedene Zeitskalen (Entwicklung, Alterung, Verletzung/Krankheit) und Längenskalen (Zelle, Gewebe, Organ), um herauszufinden, wie mechanische Kräfte und mechanische Eigenschaften von Zellen und Geweben, wie Steifheit und Viskosität, die Funktion des ZNS beeinflussen. Besonderes Augenmerk legen wir auf (A) zerebrale, (B) spinale und (C) zelluläre Mechanik. In-vivo- und in-vitro-Studien werden ein grundlegendes Verständnis für mechanikregulierte biologische und biomedizinische Prozesse in verschiedenen Regionen des ZNS liefern. Darüber hinaus tragen sie dazu bei, wichtige mechanochemische Faktoren zur Integration in in-silico-Modelle zu identifizieren und Daten für die Kalibrierung und Validierung der Modelle bereitzustellen. In-silico-Modelle ermöglichen es uns wiederum, Hypothesen ohne die Notwendigkeit von umfangreichen oder sogar unzugänglichen Experimenten zu testen. Darüber hinaus ermöglichen sie den Transfer und den Vergleich von Mechanikdaten und -ergebnissen über Arten und Skalen hinweg. Sie versetzen uns auch in die Lage, Prozessparameter für die Entwicklung von in-vitro-hirngewebeähnlichen Matrizen und die in-vivo-Manipulation mechanischer Signale zu optimieren und letztendlich den Weg für personalisierte klinische Vorhersagen zu ebnen.

    Zusammenfassend nutzen wir mechanikbasierte Ansätze, um unser Verständnis der Funktion des ZNS voranzutreiben und die Grundlage für zukünftige Verbesserungen bei der Diagnose und Behandlung neurologischer Erkrankungen zu schaffen.

  • Modellbasierter Abgleich von ex vivo und in vivo Testdaten (X01)

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: SFB 1540: Erforschung der Mechanik des Gehirns (EBM): Verständnis, Engineering und Nutzung mechanischer Eigenschaften und Signale in der Entwicklung, Physiologie und Pathologie des zentralen Nervensystems
    Laufzeit: 1. Januar 2023 - 31. Dezember 2026
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
    Abstract

    X01 befasst sich mit dem Problem widersprüchlicher Ergebnisse mechanischer Eigenschaften von ultraweichen Materialien wie Hirngewebe, wenn unterschiedliche ex vivo und in vivo Testverfahren verwendet werden. Unsere Hypothese ist, dass es ein kontinuumsbasiertes Simulationsmodell ermöglichen wird, die verschiedenen experimentell beobachtbaren Regime in vivo und ex vivo zu vereinen. Damit können wir erstmals mechanische ex vivo Parameter verwenden, die aus verschiedenen Testmodalitäten gewonnen wurden, um das mechanische in vivo Verhalten des menschlichen Gehirns zu erklären.

  • Eine hybride Fuzzy-Stochastische-Finite-Element-Methode für polymorphe, mikrostrukturelle Unsicherheiten in heterogenen Materialien

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Laufzeit: 1. Dezember 2020 - 30. November 2023
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
    Numerische Homogenisierung benötigt zwei Finite-Element-Modelle, d.h. zum einen ein Modell auf der Makroskale und zum anderen ein Modell der zugrundeliegenden Struktur des Materials auf der Mikroskale. Dabei benötigt die numerische Homogenisierung den Transfer der makroskopischen Lasten auf die Mikroskale und die Mittelung der entsprechenden Antwort der Mikrostruktur, um die effektiven makroskopischen Eigenschaften zu erhalten. Eine Herausforderung stellt dabei die numerische Homogenisierung von heterogenen Materialien mit Unschärfe in der Mikrostruktur dar, wie sie in diesem Projekt betrachtet werden.Die Unschärfe im makroskopischen Antwortverhalten heterogener Materialien resultiert dabei zum einen aus der natürlichen Streuung in der Geometrie und den Materialeigenschaften und zum anderen aus ungenügenden Informationen über die Mikrostruktur. Der erste Unschärfe-Typ wird als aleatorisch bezeichnet und kann durch stochastische Methoden beschrieben werden. Der zweite Typ wird als epistemische Unschärfe bezeichnet und kann durch Fuzzy-Methoden beschrieben werden. Modelle, die beide Typen enthalten, werden als polymorph bezeichnet und benötigen eine Kombination aus stochastischen und Fuzzy-Methoden.In Phase I entwickelten wir Methoden zur akkuraten und effizienten Behandlung polymorpher Unschärfe in der Geometrie der Mikrostruktur und demonstrierten diese an einem Benchmark-Problem.Die Ziele in Phase II sind die Weiterentwicklung der Modellierungsansätze und insbesondere die Anwendung auf den Entwurf von Strukturen. Das Ergebnis der Phase II soll eine ausgereifte Methode sein, die die Beschreibung von Unschärfe von der untersten Ebene der Mikrostruktur des Materials über die makroskopische Struktursimulation bis zum Strukturentwurf erlaubt. Im Einzelnen sollen in Phase II folgende Herausforderungen angegangen werden:- Es soll die Entwicklung fuzzy-stochastischer Benchmark-RVEs für die Mikrostruktur heterogener Materialien weitergeführt werden, um zu einer realistischeren und genaueren Beschreibung polymorpher Unschärfe in der Mikrostruktur zu gelangen.- Die Modellierungsansätze für die spektrale nicht-deterministische FE-Analyse sollen auf die nicht-deterministische, erweiterte isogeometrische Analyse (XIGA) erweitert werden.- Die numerischen Kosten für große Systeme mit Unschärfe sind insbesondere bei Anwendungen mit vielen Abfragen untragbar hoch. Daher sind Modellreduktionsverfahren ein unerlässliches Werkzeug, um die Mikroskalen-Simulationen zu beschleunigen.- Es sollen geeignete Metamodelle auf der Makroskale entwickelt werden, um große Simulationen von Strukturen durchführen zu können. - Schließlich soll der Einfluss von Unschärfe in der Mikrostruktur auf das statische und dynamische Verhalten von Makrostrukturen unter unscharfer Belastung untersucht werden.

  • Eine hybride Fuzzy-Stochastische-Finite-Element-Methode für polymorphe, mikrostrukturelle Unsicherheiten in heterogenen Materialien

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: Polymorphe Unschärfemodellierungen für den numerischen Entwurf von Strukturen
    Laufzeit: 1. Dezember 2020 - 30. November 2023
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract
    Numerische Homogenisierung benötigt zwei Finite-Element-Modelle, d.h. zum einen ein Modell auf der Makroskale und zum anderen ein Modell der zugrundeliegenden Struktur des Materials auf der Mikroskale. Dabei benötigt die numerische Homogenisierung den Transfer der makroskopischen Lasten auf die Mikroskale und die Mittelung der entsprechenden Antwort der Mikrostruktur, um die effektiven makroskopischen Eigenschaften zu erhalten. Eine Herausforderung stellt dabei die numerische Homogenisierung von heterogenen Materialien mit Unschärfe in der Mikrostruktur dar, wie sie in diesem Projekt betrachtet werden.Die Unschärfe im makroskopischen Antwortverhalten heterogener Materialien resultiert dabei zum einen aus der natürlichen Streuung in der Geometrie und den Materialeigenschaften und zum anderen aus ungenügenden Informationen über die Mikrostruktur. Der erste Unschärfe-Typ wird als aleatorisch bezeichnet und kann durch stochastische Methoden beschrieben werden. Der zweite Typ wird als epistemische Unschärfe bezeichnet und kann durch Fuzzy-Methoden beschrieben werden. Modelle, die beide Typen enthalten, werden als polymorph bezeichnet und benötigen eine Kombination aus stochastischen und Fuzzy-Methoden.In Phase I entwickelten wir Methoden zur akkuraten und effizienten Behandlung polymorpher Unschärfe in der Geometrie der Mikrostruktur und demonstrierten diese an einem Benchmark-Problem.Die Ziele in Phase II sind die Weiterentwicklung der Modellierungsansätze und insbesondere die Anwendung auf den Entwurf von Strukturen. Das Ergebnis der Phase II soll eine ausgereifte Methode sein, die die Beschreibung von Unschärfe von der untersten Ebene der Mikrostruktur des Materials über die makroskopische Struktursimulation bis zum Strukturentwurf erlaubt. Im Einzelnen sollen in Phase II folgende Herausforderungen angegangen werden:- Es soll die Entwicklung fuzzy-stochastischer Benchmark-RVEs für die Mikrostruktur heterogener Materialien weitergeführt werden, um zu einer realistischeren und genaueren Beschreibung polymorpher Unschärfe in der Mikrostruktur zu gelangen.- Die Modellierungsansätze für die spektrale nicht-deterministische FE-Analyse sollen auf die nicht-deterministische, erweiterte isogeometrische Analyse (XIGA) erweitert werden.- Die numerischen Kosten für große Systeme mit Unschärfe sind insbesondere bei Anwendungen mit vielen Abfragen untragbar hoch. Daher sind Modellreduktionsverfahren ein unerlässliches Werkzeug, um die Mikroskalen-Simulationen zu beschleunigen.- Es sollen geeignete Metamodelle auf der Makroskale entwickelt werden, um große Simulationen von Strukturen durchführen zu können. - Schließlich soll der Einfluss von Unschärfe in der Mikrostruktur auf das statische und dynamische Verhalten von Makrostrukturen unter unscharfer Belastung untersucht werden.

  • FOR 2271: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)

    Laufzeit: 1. Juni 2016 - 14. August 2023
    Mittelgeber: DFG / Forschungsgruppe (FOR)
    URL: https://www.for2271.tf.fau.de/
    Abstract

    Das Begreifen geometrischer Bauteilabweichungen und deren fertigungs- und montagebedingter Ursachen sowie die Erforschung der Folgen dieser Abweichungen für die Funktion und Qualität technischer Produkte stellt den Rahmen der Forschungsgruppe „Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden“ dar. Diese hat sich zum Ziel gesetzt, ganzheitliche Vorgehensweisen und effiziente Werkzeuge für die umfassende Steuerung geometrischer Abweichungen im Produktentstehungsprozess bereitzustellen und anhand einer Modellfabrik zu validieren. Hierbei wird besonderer Fokus auf die Erarbeitung einer Vorgehensweise für die nutzbringende Kooperation aller am Toleranzmanagementprozess beteiligter Bereiche von der Produktentwicklung, Fertigung, Montage bis hin zur Messtechnik gelegt, die es Unternehmen ermöglicht, gezielt und schnell funktions-, fertigungs- und prüfgerechte Toleranzen zu spezifizieren und so Kosten zu sparen sowie die Produktentstehungszeit zu verkürzen. Hierbei ist es die Vision der Forschungsgruppe, die enge Zusammenarbeit von Produktentwicklung, Fertigung, Montage und Metrologie bei der rechnerunterstützten Toleranzvergabe, d. h. die gemeinschaftliche Erarbeitung fertigungs-, prüf- und funktionsgerechter Toleranzen, zu ermöglichen. Durch diese enge Zusammenarbeit lassen sich alle fertigungs- und montagebedingten Ursachen für spätere Funktionseinschränkungen und Qualitätsminderungen identifizieren und bereits in frühen Phasen der virtuellen Produkt- und Prozessentwicklung berücksichtigen. Dies ermöglicht einerseits die effiziente Toleranzvergabe und andererseits die Ableitung von funktions- und abweichungsoptimierten Prüfplänen sowie von Prozess- und Betriebsfenstern zur Entwicklung robuster Produkte, die schnell und kostengünstig hergestellt und geprüft werden können. Nachdem geometrische Bauteilabweichungen unvermeidbar sind und die Funktion und Qualität technischer Produkte erheblich beeinflussen können, ist deren Beherrschung im Produktentstehungsprozess essentiell für das Hervorbringen funktionsfähiger Produkte, die den Qualitäts- und Gebrauchsanforderungen der Kunden gerecht werden und am Markt erfolgreich sind. Aus diesem Grund ist das Toleranzmanagement eine elementare Teilaufgabe bei der Entwicklung technischer Produkte und durchdringt vielfältige Industriebranchen, von Konsum- bis hin zu Industriegütern. Aufgrund stetig steigender Qualitäts- und Effizienzanforderungen gewinnt es zudem nicht nur bei großen, sondern auch vermehrt bei kleineren und mittleren Unternehmen enorme Bedeutung. In diesem Zusammenhang trägt die industrielle Umsetzung der in der Forschungsgruppe erarbeiteten wissenschaftlichen Erkenntnisse deutlich zum Erfolg der deutschen Wirtschaft bei.

  • Eine hybride Sampling-Stochastische-Finite-Element-Methode für polymorphe, mikrostrukturelle Unsicherheiten in heterogenen Materialien

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: SPP 1886: Polymorphe Unschärfemodellierungen für den numerischen Entwurf von Strukturen
    Laufzeit: 1. April 2016 - 30. November 2020
    Mittelgeber: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    Abstract

    Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens auf der Methodenseite ist es, eine vom Rechenaufwand handhabbare numerische Methode zu etablieren, die es erlaubt, polymorphe Unsicherheiten in großdimensionierten Problemen (die z.B. im Rahmen der numerischen Analyse der Mikrostruktur heterogener Materialien entstehen) zu erfassen. Dazu wird die Methode auf der einen Seite unscharfe Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Zufallsparameter (die die Geometrie der Mikrostruktur beschreiben) berücksichtigen und auf der anderen Seite wird die Methode nur auf wenigen reduzierten Basismoden beruhen. Diese Bausteine werden es ermöglichen, zusätzlich zu epistemischen auch aleatorische Unsicherheiten in einer numerisch zugänglichen Art und Weise zu behandeln.Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens auf der Anwendungsseite ist es, ein nicht-deterministisches, makroskopisches Materialmodel zu etablieren. Das Model wird einerseits der Heterogenität der dem Material zugrundeliegenden Mikrostruktur durch numerische Homogenisierung Rechnung tragen und andererseits polymorphe Unsicherheiten in der Geometriebeschreibung der Mikrostruktur erfassen. Das so formulierte nicht-deterministische, makroskopische Materialmodel stellt somit den notwendigen Startpunkt für den Entwurf makroskopischer Ingenieurstrukturen unter Berücksichtigung polymorpher Unsicherheiten in der Beschreibung der, heterogenen Materialien zugrundeliegenden, Mikrostruktur dar.

  • Schwingungsreduktion durch Energietransfer mittels Formadaption

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: SPP 1897: Calm, Smooth and Smart - Novel Approaches for Influencing Vibrations by Means of Deliberately Introduced Dissipation
    Laufzeit: 1. Januar 2016 - 31. Dezember 2019
    Mittelgeber: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    Abstract

    Leichtbau ist eine der wesentlichen Aufgaben im Entwurfsprozess. Das Ziel ist dabei die Reduktion der Bauteilmassen um Kosten, Energie oder andere Ressourcen bei der Herstellung oder im Betrieb zu sparen. Jedoch sind leichte Strukturen auch anfällig für unerwünschte Schwingungen. Diese Schwingungen müssen daher häufig reduziert werden, um sowohl die Struktur als auch ihre Umgebung vor Schäden zu schützen und die Lebensdauer der Struktur zu erhöhen.Eine Schwingungsreduktion kann durch passive, semi-aktive oder aktive Maßnahmen erreicht werden. Dabei meint passiv, dass keine Energie von außen zugeführt werden muss, während semi-aktive und aktive Maßnahmen äußere Energie benötigen, um entweder die Dissipation zu kontrollieren oder der Schwingungsbewegung direkt entgegen zu wirken. Da aktive Maßnahmen meist nicht auf Dissipation beruhen, fallen sie nicht in den Bereich des ausgeschriebenen Schwerpunktprogramms und werden daher hier auch nicht weiter betrachtet. Auf dem Gebiet der passiven und semi-aktiven Maßnahmen gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten zur Schwingungsreduktion, nämlich zum einen Dämpfung, was die Dissipation kinetischer Energie in eine andere Energieform meint, und zum anderen Tilgung, was den Transfer kinetischer Energie aus einer kritischen Mode in eine unkritische Mode bezeichnet.Der hier vorgeschlagene Zugang kombiniert die Konzepte der Dämpfung und der Tilgung in neuartiger Weise, indem die Funktionalität eines gedämpften Tilgers in eine formadaptive Struktur integriert wird. Durch dynamische Adaption der Steifigkeit einer schlanken, balkenartigen Struktur durch Formadaption des Querschnitts soll kinetische Energie aus den kritischen, tieffrequenten Biegemoden in eine speziell entworfene, hochfrequente Tilgermode übertragen werden, um dort dann optimal gedämpft zu werden. Das optimale Design des formadaptiven Mechanismus und der Tilgermode soll im Rahmen nachgiebiger Festkörpermechanismen erfolgen, während die optimale Dissipation durch angepasste Reibdämpfer realisiert werden soll.

  • Fuzzy-arithmetische Modellierung von Prozessen mit unsicheren Parametern

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: FOR 2271: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden
    Laufzeit: 1. Januar 2016 - 28. Februar 2019
    Mittelgeber: DFG / Forschungsgruppe (FOR)

  • Strukturdynamik rotierender Systeme

    (Projekt aus Eigenmitteln)

    Laufzeit: 1. Januar 2015 - 31. Mai 2020

  • Modellreduktion nichtlinearer gyroskopischer Systeme in ALE-Formulierung mit Reibkontakt

    (Projekt aus Eigenmitteln)

    Laufzeit: seit 1. Januar 2015
    Abstract

    Rotierende Systeme sind gyroskopischen Effekten ausgesetzt, welche Einfluss auf ihre Eigendynamik nehmen. Die Arbitrary-Lagrangian-Eulerian-Formulierung (ALE) bietet im Kontext der Finite-Elemente-Methode eine effiziente Möglichkeit, rotatorische und translatorische Führungsbewegungen im System abzubilden und diese dabei vom FE-Netz abzukoppeln. Gleichzeitig erschwert dieser Ansatz die Berechnung reibbehafteten Kontaktverhaltens mit anderen, nicht-rotierenden Strukturen.
    Diese Vorgehensweise stammt aus dem Bereich der Rollkontaktdynamik und wird in diesem Projekt für die Simulation von Scheibenbremsen angewendet. An diesen nichtlinearen gyroskopischen ALE-Systemen werden verschiedene Modellreduktionsverfahren der Strukturdynamik erprobt und auf die speziellen Modellanforderungen erweitert

  • Materialmodellierung von geschichteten Blechpaketen

    (Projekt aus Eigenmitteln)

    Laufzeit: seit 1. Januar 2015
    Abstract

    Die numerische Simulaton von geschichteten Blechpaketen, welche in Elektrischen Antrieben und Transformatoren auftreten, stellt aufgrund des Aufbaus dieser Komponenten eine Herausforderung in der Strukturmechanik dar. Je nach Herstellungsprozess stehen diese Bleche entweder in direktem Reibkontakt zueinander oder werden mit Hilfe von Backlack zusammengehalten. Insbesondere die Zwischenschicht und die Interaktion einzelner Bleche besitzen einen großen Einfluss auf die Struktur und können für ein nichtlineares Deformationsverhalten verwantwortlich sein. In Bezug auf Leistungsfähigkeit und Aufwand besteht das Ziel darin eine Finite-Element Simulation, in der jedes einzelne Blech diskretisiert wird, zu vermeiden, so dass in diesem Projekt auf Methoden der Homogenisierung zurückgegriffen wird, um ein adäquates Ersatzmaterialmodell zu formulieren, welches die spezielle Mikrostruktur dieser Blechpakete berücksichtigt.

  • Untersuchung und Reduktion nichtlinearer Schwingungssysteme mit Hilfe modaler Ansätze

    (Projekt aus Eigenmitteln)

    Laufzeit: seit 1. September 2012
    Abstract

    In diesem Forschungsprojekt werden nichtlineare Schwingungssysteme untersucht. Die Nichtlinearitäten sind geometrischer (z.B. große Verformungen) oder physikalischer Natur, z.B. Reibung. Ziel ist es, nach einer nichtlinearen Modalanalyse, z.B auf Basis nichtlinearer Moden (NNMs), eine Modellreduktion auf die isolierte Mode (Synthese) durchzuführen. Grenzen des Gültigkeitsbereiches dieses Reduktionsansatzes fallen bei der nichtlinearen Modalanalyse mit ab.

  • Konstitutives Reibgesetz zur Beschreibung und Optimierung von Tailored Surfaces

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: TRR 73: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung
    Laufzeit: 1. Januar 2009 - 31. März 2021
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB / TRR)
    URL: https://www.tr-73.de/
    Abstract

    Eine zentrale Herausforderung derBlechmassivumformung ist ein teilweise unkontrollierter Werkstofffluss. Dieserbeeinflusst die zu erreichende geometrische Bauteilmaßhaltigkeit negativ. Vordiesem Hintergrund wird die Zielsetzung verfolgt, durch lokale Reibungsanpassungenmittels Modifikation der Werkstück- oder Werkzeugoberfläche den Stofffluss zusteuern und die Ausformung der Funktionselemente zu verbessern. Insbesonderewerkzeugseitige Modifikationen haben hohes Potential, da sie die Prozesskette nichtverlängern. Allerdings müssen sie für einen effizienten Einsatz eine hoheVerschleißbeständigkeit aufweisen, weshalb die funktionalen Zusammenhängezwischen Veränderung der Werkzeugtopographie und der Reibung zur Beschreibungder Funktionsbeständigkeit erforscht werden.

  • C3: Parameter- und Formoptimierung in der finiten Elastoplastizität

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Titel des Gesamtprojektes: TRR 73: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung
    Laufzeit: 1. Januar 2009 - 31. Dezember 2016
    Mittelgeber: DFG / Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB / TRR)
    URL: http://www.tr-73.de

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