Abgeschlossene Projekte

Werkstoff- und Fügestellendämpfung

Forschungsprojekt in Kooperation mit der BMW Group.

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

Projektbeschreibung

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.

The aeroelastic behaviour of long-span cable-supported bridges

Participants

Project leaders Prof. Tom Lahmer, Prof. Dr. Guido Morgenthal
Project coworkerDr. Tajammal Abbas
Project period01.07.2017 – 30.07.2020
Project partner       DFG

Goals

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.

Description

The aeroelastic behaviour of long-span cable-supported bridges is essential to be studied as part of the design and analysis. These structures could develop significant vibrations when exposed to atmospheric wind flow. The trends for increase in the flexibility and reduction of mass of structures make such problems more prominent and the analysis more challenging; therefore, it is necessary to keep a balance between safety and performance. This also demands the use of accurate and robust prediction models. Typically, experimental methods are used for the practical design of structures because of their accuracy; however, these methods are time consuming and expensive. Numerical methods have gained much attention and development in the last decades and are used as alternative beside the analytical and experimental methods. However, numerical methods still have limitations with the complexity and nature of three-dimensional flow around structures. Nevertheless these methods can provide the underlying physical processes to better understand the complex aeroelastic phenomenon.

The fundamental aim of this project is to develop a framework which makes it possible to evaluate the forces of structures from complex dynamic wind-induced phenomena by means of numerical simulations with defined limit states and to optimize the structure on the basis of the results such as probability of occurrence which must remains below a certain threshold. The underlying simulation methodology limits the application to line-like structural elements, such as bridges, skyscrapers, towers, masts or chimneys. The characteristic of the natural wind field results in a problem with stochastically defined input parameters.

The simulation methods and optimization strategies are to be selected, tested and adapted. Additionally, interfaces and evaluation algorithms for efficient computation must be developed and tested. It is hoped that such methods can be feasible for resolving complex optimization problems using this framework in the context of practical application to structures.

Polymorphe Unschärfemodellierung

von heterogenen thermisch-hydraulisch-mechanisch gekoppelten Systemen unter vagen Annahmen zu Korrelationen der ParameterUnschärfemodellie­rung

Beteiligte

ProjektleiterProf. Dr. rer. nat. Tom Lahmer, Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
BearbeiterDipl.-Phys. Albrecht Schmidt
Förderungszeitraum01.12.2016 – 30.09.2019
ProjektpartnerSPP 1886

Ziele

  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

 

    Beschreibung

    Neuartige hybride Werkstoffe und Bauteile mit heterogenen Materialkennwerten werden in der Folge von der Entwicklung von Leichtbaukonzepten zunehmend eingesetzt. Zudem sind in vielen Ingenieurkonstruktionen natürliche und technische Materialien mit einer stark heterogenen Verteilung von Materialkennwerten eingesetzt. Beispiele sind hierfür Materialien in der Geotechnik oder die Betrachtung von Zuschlag-Matrixwerkstoffen bei Betrachtung auf den Meso- und Mikroskalen. Die Modellierung dieses Materialverhaltens in Prognosemodellen der Zuverlässigkeit von Strukturen kann entweder über die Abschätzung von oberen und unteren Intervallgrenzen erfolgen, oder über die Modellierung mittels zwei- und dreidimensionaler Zufallsfelder.

    In Mehrfeldsituationen, z.B. gekoppelte thermo-hydro-mechanische (THM) Systeme, wie Talsperren oder geologische Lagerstätten, gibt es eine Reihe von dominierenden Materialkennwerten, die über Zufallsfelder modelliert werden können. Nun liegen gewisse Korrelationen vor, z.B. in Regionen ausgewaschenen und verwitterten Materials könnte die hydraulische Durchlässigkeit erhöht sowie die mechanische Steifigkeit reduziert sein. Es stellt sich weiter die Frage, welche Konsequenzen dies auf die angenommene Porosität des Materials, die thermische oder die elektrische Leitfähigkeit, usw. ... hat.In dem Projekt soll es um die Entwicklung einer allgemeinen Methodik basierend auf einer polymorphen Unschärfemodellierung zur Generierung von korrelierten Zufallsfeldern gehen, wobei der Grad der Korrelation sowie die Korrelationslänge als nur unscharf bekannt vorausgesetzt werden kann.

    Es handelt sich somit thematisch in dem project um die Entwicklung, Analyse und Anwendung eines polymorphen Unschärfemodells, welches die stochastische Variabilität der Kenngrößen mit vagen Informationen zu deren Korrelationen verknüpft. Die Methodik soll sowohl bei der Analyse der Zuverlässigkeit von baulichen Strukturen sowie bei der Analyse von Strukturen der Geotechnik, z.B. unterirdische Lagerstätten prototypisch angewandt werden und es sollen qualitative Vergleiche zu klassischen stochastischen Herangehensweisen erarbeitet werden.In einer zweiten Förderphase können zum direkten Problem inverse Fragestellungen in den Vordergrund rücken, z.B. die Parameter der Unschärfemodelle aus gegebenen Daten zu identifizieren sowie über Modellinvertierungen strukturelle Veränderungen zu detektieren.

    IRSES-MULTIFRAC

    Dynamische Auslegung von Eisenbahnbrücken in Stahl- und Stahlverbundbauweise mit kleinen und mittleren Spannweiten für den Hochgeschwindigkeitsverkehr

    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

    Monitoringsystem und VFT-Rahmenbrücke
    Monitoringsystem und VFT-Rahmenbrücke

    Projektbeschreibung

     

    Monitoringsystem und VFT-Rahmenbrücke

    Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Vereinfachung des Einsatzes von Stahl- und Stahlverbundbrücken im Eisenbahnbrückenbau im kleinen und mittleren Stützweitenbereich durch einen vereinfachten Nachweis des dynamischen Verhaltens bei hohen Geschwindigkeiten sowie die Erarbeitung eines Leitfadens zur wirklichkeitsnahen numerischen Modellierung.

    Für WiB- und VFT®- Querschnitte als Vertreter typischer und „moderner“ Querschnitte in Verbundbauweise sowie für Trogbrücken in Stahlbauweise soll ein erweitertes Bemessungskonzept entwickelt werden, mit dem die dynamische Erhöhung der Schnittgrößen, der Spannungen und der Verformungen des Tragwerkes infolge Resonanzerscheinungen in einfacher Weise erfasst werden kann. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei auf das Erarbeiten von Bemessungshilfen zur vereinfachten Überprüfung des Resonanzrisikos von Verbundbrücken gelegt, welche (erstmalig) auch den Geschwindigkeitsbereich über 200 km/h mit erfassen.
    Des Weiteren soll untersucht werden, inwieweit typische dynamische Eigenschaften von Brücken kleiner und mittlerer Spannweite im Rahmen einer dynamischen Bemessung positiv in Ansatz gebracht werden können. Zu diesen Effekten zählen beispielsweise die tatsächlichen Dämpfungswerte und zusätzliche Steifigkeitsbeiträge infolge des gewählten Oberbaus. Einflüsse aus Schotter/feste Fahrbahn spielen hierbei eine wichtige Rolle.

     

     

    Simulation von dynamischen Anprallvorgängen an Fahrzeugrückhaltesystemen

    Dieses Projekt wird von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) gefördert.

    Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
    Projektbearbeiter: Dipl.-Phys. Albrecht Schmidt
    Förderungszeitraum
    : 01.01.2012 - 31.12.2013
    Projektpartner
    : Ingeneurbüro Prof. U. Freundt, Weimar

    Projektbeschreibung

    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

    Großmaßstäbliche mikromechanische 3D-Modelle zur Schädigungssimulation in heterogenen Werkstoffen

    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

    Projektbeschreibung

    Schädigungsprozesse bestimmen maßgeblich die Lebensdauer von Ingenieurkonstruktionen. Initiale Schädigungen, die im Verlauf der Lebensdauer eines Tragwerks akkumulieren, treten bei technisch hergestellten Werkstoffen oftmals schon während des Fertigungsprozesses auf, z.B. bei Schweißprozessen in Metallen.

    Insbesondere bei heterogenen Werkstoffen ist die Berücksichtigung der einzelnen Phasen auf der Mikroskala und ihrer jeweiligen physikalischen  Eigenschaften von zentraler Bedeutung für qualitativ hochwertige Prognosemodelle des Antwortverhaltens von Werkstoffen und damit Bauteilen und Bauwerken. 

    Ausgehend von hochaufgelösten µCT-Daten sollen in diesem Projekt Methoden entwickelt werden, die großmaßstäbliche Schädigungssimulationen auf der Mikroebene möglich machen. Die FE-Modellerstellung erfolgt durch die direkte Abbildung von Bilddaten (Pixel- oder Voxelinformation) in 3D-Gitterdiskretisierungen.

    Zur Berücksichtigung von Phasengrenzen sollen spezielle Mehrphasenelemente entwickelt werden. Octree-Methoden dienen der Verringerung der Modellgröße in homogenen Gebieten und effektive iterative matrixfreie und parallele Löser verringern den Speicherbedarf und die Berechnungszeit. Durch die Abbildung der Mikrostruktur kann komplexes Materialverhalten mit Hilfe von einfachen Schädigungsgesetzen simuliert werden.

    Das geplante Vorgehen ermöglicht damit große Modelle mit mehreren Millionen Freiheitsgraden inkrementell-iterativ unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte für verschiedene heterogene Materialien wie z.B. Beton, Metall, Metallschäume oder Knochen zu lösen.

    Schwerpunkte des Forschungsvorhaben

    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.

    COMBAT

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

    Projektbeschreibung

    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.

    Robuste FSI-Verfahren für versagende dünne Schalen

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

    Projektbeschreibung

    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«.

    Multi scale method for modeling material failure

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

    Content

    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.

    Control of disproportionate collapse in buildings

    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.

    Direction

    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.

    More information

    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.

    A three dimensional multiscale method for modeling fracture in nanocomposites

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

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

    More information

    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).

    Strategien für den robusten Entwurf von Tragwerken

    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

    Projektbeschreibung

    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.

    Ein abgewinkeltes Rohr, modelliert durch ein dreidimensionales NURBS-Objekt zweiten Grades. Links mit Darstellung des Kontollgitters und der Kontrolpounkte, rechts das Ergebnis einer FE-Analyse. Ein Vorteil in der Verwendung von NURBS begründet sich in der Möglichkeit, beliebige Freiformflächen ebenso wie analytische Standardformen auf einer einheitlichen mathematischen Grundlage zu beschreiben und zu analysieren.

    opsView – ein graphisches user interface für isogeometrische Berechnungen

    opsView - ein graphisches user interface zur Demonstration von FE-Berechnungen, die auf volumetrischen NURBS Geometriebschreibungen basieren und somit ohne Vernetzung auskommen. Die Geometriedaten werden per Datei im xml-Format geladen. Nachdem Lagerungen, Lasten und Materialparameter im Programm festgelegt wurden, kann das System berechnet und die Ergebnisse visualisiert werden.

    Numerische Untersuchungen auf der Grundlage von 3D-Bilddaten (µCT) zur Bestimmung des Einflusses von Gussfehlern auf das mechanische Verhalten von Strukturbauteilen

    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

    Projektbeschreibung

    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.

    Modelle zur Simulation des Tragverhaltens im menschlichen Skelett

    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)

    Hybride 3D-Simulationsmethoden zur Abbildung der Schädigungsvorgänge in Mehrphasen-Verbundwerkstoffen

    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

    Projektbeschreibung

    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.

    FADLESS - Fatigue damage control and assessment for railway bridges

    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

    Projektbeschreibung

    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.