LEHRSTUHL

NUMERISCHE

MECHANIK

Der Modulare Peristaltische Flächenförderer (MPFF) ist ein gänzlich neuartiges Gerät, das erstmals konzeptionell die Vereinzelung und Sortierung von biegeweichen Kleinstendungen (Polybags) erlaubt und damit eine Alternative zur kostenintensiven händischen Verarbeitung darstellt. Erstmalig soll parallel zur Entwicklung des realen MPFF ein KI-basierter Digitaler Zwilling (DZ) entwickelt werden, der auf Basis von KI-optimierten Simulationsmodellen Vorhersagen des Systemverhaltens und eine automatisierte Parametrierung der Aktoren und Sensordatenverarbeitung erlaubt.

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Das DFG geförderte Forschungsprojekt setzt sich zum Ziel, die numerische Prädiktionsfähigkeit für technische Systeme zu erhöhen, indem eine ganzheitliche Simulationsmethodik implementiert wird, die eine effiziente Kopplung zwischen einer Mehrköpersimulation und einem nichtlinearen FE-Modell ermöglicht. Eine Erweiterung des physikalisch motivierten dynamischen Flokkulationsmodells wird dabei genutzt, um das nichtlineare Materialverhalten elastomerer Lagerelemente vollumfänglich und präzise abzubilden. Dabei stehen vor allem die Eigenschaftsänderungen der Lager unter mehrachsiger Belastung im Fokus, welche bei derzeitigen Modellierungsansätzen häufig vernachlässigt werden. Da die Einbindung eines detaillierten FE-Modells zu einer Steigerung der notwendigen Rechenressourcen führt, werden in diesem Projekt verschiedene Detaillierungsstufen der Solverkopplung implementiert und analysiert, mit dem Ziel eine Reduktion der Rechenzeit unter akzeptablen Genauigkeitseinbußen zu erlauben. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Komplexitätsstufen der entwickelten Methodik werden mit den herkömmlichen Modellierungsstrategien umfassend verglichen. Es wird eine Bewertung der einzelnen Kopplungsstrategien bezüglich des Implementierungs- und Parametrisierungsaufwands sowie der physikalischen Interpretierbarkeit und der erforderlichen Rechenressourcen vorgenommen. Dabei werden die entwickelten und validierten FE-Modelle basierend auf dem DFM auch auf ihre Eignung hin untersucht, in welchem Umfang und mit welcher Zuverlässigkeit sich einmalig bestimmte Materialparameter auf weitere Geometrien und Belastungsszenarien übertragen lassen. Abschließend findet eine Beurteilung der Genauigkeit aller untersuchter Strategien zur Kopplung der FEM und MKS mit Hilfe von Versuchsergebnissen realer Applikationen statt. Die Einbindung der FEM in die MKS erfolgt dazu sowohl direkt über verschiedene Solverkopplungen als auch indirekt durch die Generierung eines Kennfelds bzw. eines Surrogate-Modells mit Hilfe des FE-Modells zur Nutzung innerhalb der MKS. Als erstes Anwendungsbeispiel dient eine Laborzentrifuge, deren Schwingungsamplituden sowie Betriebsresonanzen gemessen und mit den numerisch erzielten Ergebnissen der jeweiligen Kopplungsstrategien verglichen werden. Des Weiteren wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Schwingungsanalyse von Fahrwerkskomponenten eines Elektrofahrzeugs angewendet und validiert.

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Ziel des Projekts ist die Erforschung von Möglichkeiten zur Optimierung der fluiddynamischen Behandlung intrakranieller Aneurysmen, um die Okklusionszeit zu verkürzen, den Bedarf an Nachbehandlungen zu reduzieren sowie die Gefahr von Rupturen zu eliminieren. Dazu sollen zum einen neuartige, neurovaskuläre Implantate mit verbesserten flussmodellierenden Eigenschaften erarbeitet werden (Zielwerte: lokal reduzierte Porosität, optimierte Anpassungsfähigkeit an die Anatomie). Mögliche individualisierte Lösungsansätze sind die Weiterentwicklung geflochtener Strukturen oder die Verwendung neuartiger Polymervliese auf der Trägerstruktur. Zum anderen werden “intelligente” Software-Tools entwickelt, die auf Basis einer virtuellen Katheterführung durch komplexe 3D-Gefäßmodelle von Patient*innen eine verbesserte Planung und Implantation ermöglichen. Dabei werden Verformungszustände sowohl des Katheters als auch des gecrimpten Implantats auf seinem Weg zum Gehirnaneurysma simuliert. Zur Abschätzung der Wirksamkeit (intra-aneurysmale Thrombosierung) des Implantats wird in Ergänzung dazu eine Blutflusssimulation durchgeführt. Anhand der Ergebnisse sollen den Interventionalist*innen vorab und während der Behandlung Hinweise zur Handhabung des Implantats bereitgestellt werden. Eine solche Software ermöglicht eine gezielte Optimierung der Implantateigenschaften, um bspw. lokalisationsabhängige Geschwindigkeits- und Wirbelstärkenabsenkungen, um bis zu 50 % gegenüber dem unbehandelten Zustand zu erzielen.

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Methoden der adaptiven Netzverfeinerung (AMR) sind in vielen industriellen und auch wissenschaftlichen Anwendungen unbedingt erforderlich, um den numerischen Aufwand zu reduzieren und dadurch komplexe Problemstellungen überhaupt erst handhabbar zu machen. Betrachtet man jedoch die gegenwärtige Literatur zum Thema AMR, kristallisieren sich einige Unzulänglichkeiten heraus, die noch gelöst werden müssen. Um eine lokale Netzverfeinerung zu erreichen, müssen entweder hybride Netze bestehend aus Simplex- und Tensor-Produkt-Elementen oder Zwangsbedingungen genutzt werden. Beide Ansätze führen jedoch unweigerlich zu lokalen Genauigkeitsverlusten. Darüber hinaus werden in industriellen Anwendungen oft lineare Ansatzfunktionen verwendet, weshalb nur eine algebraische Konvergenz erzielt werden kann. Im wissenschaftlichen Umfeld gibt es selbstverständlich auch Ansätze für eine vollständige hp-Adaptivität. Diese Verfahren sind aber aufgrund ihrer Komplexität in der Implementierung auf Netze mit einem hängenden Knoten pro Elementkante/-fläche ausgelegt und weisen Schwächen in der Anwendung auf hoch dynamische Prozesse (explizite Zeitintegration) auf, da diagonale Massenmatrizen nicht verfügbar sind. Anzumerken ist, dass im Vergleich zu einfachen h-Verfeinerungen aber exponentielle Konvergenzraten erreicht werden können. Die genannten Probleme können durch höherwertige Übergangselemente, die auf der Basis der sogenannten gemischten (transfiniten) Interpolation hergeleitet werden, leicht beseitigt werden. Die Elementformulierung beruht auf Vierecks- bzw. Hexaederelementen im Referenzgebiet und kann beliebige Diskretisierungen miteinander koppeln. Im Prinzip können verschiedenste Elementfamilien gekoppelt werden, die sich nicht nur in Größe oder Ansatzordnung unterscheiden. Da der Funktionsraum nicht durch Zwangsbedingungen eingeschränkt werden muss, müssen auch keine Kompromisse hinsichtlich der Genauigkeit eingegangen werden. Für hochfrequente, transiente Berechnungen werden in diesem Projekt außerdem noch geeignete Methoden zur Diagonalisierung der Massenmatrix erarbeitet. Die entstandene Elementfamilie bildet die Basis für dynamische Netzverfeinerungen. Das besondere Merkmal dieses Ansatzes ist die gezielte Kombination von Verfeinerungs- und Vergröberungsschritten, die in jedem Zeitschritt der Simulation ausgeführt werden. Damit können optimale Konvergenzraten unter möglichst geringem numerischen Aufwand erzielt werden. Um die Effizienz der entwickelten Technik weiter zu steigern, werden die Algorithmen für Hochleistungsrechner aufbereitet. Die herausragenden Eigenschaften der vorgeschlagenen Methodik werden an ausgewählten Beispielen der Wellenausbreitung verdeutlicht. Dazu werden die kontinuierliche Strukturüberwachung mittels geführter Wellen in mikrostrukturierten Materialien und die Analyse seismischer Aktivitäten genutzt.

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Ankle-Foot Orthoses (AFOs) are those devices used for rehabilitation of a pathological gait, which is caused for instance by a stroke. This research aims to design, model, simulate, manufacture, and test a novel AFO, which is designed to ensure ease of use, freedom of movement, and high performance for high-level activities at relatively low costs. Research problems are inherent in the increasing demand for AFOs based on polymers, which have relatively low biomechanical properties and may cause skin sweating and irritation in the long term. Moreover, there are problems related to the high costs of recent AFOs made of advanced composites or carbon fiber, the market needs (orthopedic workers) and users alike, and the necessity of a novel AFO that meets the demands and helps to produce orthoses for fitting each patient. Therefore, orthotists could save time and obtain a more convenient AFO prototype, which helps them in patients' treatment.
This study includes, from an applied point of view, the design, modeling, and simulation of a novel ankle-foot orthosis based on silicone, shape memory alloy (SMA), and elastic bands. This, in turn, ensures freedom of movement and high performance for high-level activities. It also includes, in practical terms, the manufacturing of the ankle-foot orthosis, based on the aforementioned design and materials, and conducting appropriate mechanical and biomechanical tests. This study includes also a literature review and description of the materials, methods, and equipment used in the design, modeling, simulation, manufacturing, and testing of a novel dynamic ankle-foot orthosis.

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Neural networks are already used extensively in the field of data analysis. Common material models consist of physically based equations to describe the real behavior as good as possible. Measurements are used to adjust the material parameters, but the accuracy of the model depends on the complexity of the constitutive equations. Neural networks offer the possibility to describe a material with the same test data without the necessity to derive complex and physically based material laws.
Considering a uniaxial stress-strain curve of a hyperelastic material, a classical neural network can be easily set up to describe this behavior. During training, the network finds a good fitting function that depends mainly on the number of weights and biases and the amount of training data. These overall parameters are not physically motivated, as they only connect the stress values to the strain values via multiplication and the sigmoid transfer functions in the range of the trainings set. This is the reason why classical neural networks have a very poor extrapolation performance.
In contrast, autoregressive neural networks can train a time series, such as the stress curve with a constant strain rate, using previous stress values to calculate the next one. Instead of training a stress-strain function, these networks attempt to find a recursive formulation between stress values. With external inputs, other variables can also be used in the recursive formulation, such as the strain rate. If the training data contains different strain rates, the network can take them into account. In addition, other variables are possible, for example, different temperatures.
Due to the recursive or regressive functionality, the network can calculate stress-strain curves, even beyond the range of the training data. With a sufficiently large training data set, it is thus possible to describe more complex material behavior better than with classical material models.
In this project the properties of viscoelastic materials shall be estimated with an autoregressive neural network. Calculating a stress-strain curve with different strain rates and training the networks can be done in a few minutes. Prediction with different strain rates and stress values outside the range of the training data works very well with only a small error and much less computation time. In addition to optimizing the network architecture, the possibility of other external inputs such as temperature or training with a real measurement data set will also be investigated.

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Die Vorhersage des akustischen Verhaltens von Systemen, die Materialien mit komplexer Mikrostruktur beinhalten, ist aus mehreren Gründen eine große Herausforderung. Zum einen ist es sehr aufwendig, hochauflösende numerische Modelle mit Hilfe von geometriekonformen Diskretisierungen aufzubauen und zum anderen müssen alle physikalisch relevanten Wechselwirkungen der Struktur sowohl mit dem umgebenden als auch mit dem eingeschlossenen Fluid berücksichtigt werden. Die geometriekonforme Diskretisierung von heterogenen Materialien mit komplexer Mikrostruktur führt in der Regel zu einer sehr hohen Anzahl von finiten Elementen und somit zu nicht vertretbaren Rechenzeiten. Als zielführende Alternative haben sich in den letzten Jahren fiktive Gebietsmethoden, wie die Finite Cell Method (FCM), herauskristallisiert. Zur Erfassung der akustischen bzw. vibroakustischen Eigenschaften muss die FCM für das neue Anwendungsgebiet in einigen Aspekten erweitert werden. Zunächst müssen die akustische Wellengleichung für Berechnungen im Zeitbereich und die Helmholtz-Gleichung für Analysen im Frequenzbereich mit Hilfe von fiktiven Gebietsmethoden diskretisiert werden. Weiterhin müssen geeignete Kopplungsstrategien zwischen dem Struktur- und Fluidgebiet entwickelt werden. Die Teilfelder können dabei sowohl schwach (rückwirkungsfrei) als auch stark (rückwirkungsbehaftet) gekoppelt werden. Der Vorteil von fiktiven Gebietsmethoden ist neben der hochgenauen Auflösung der Geometrie (trotz nicht konformer Diskretisierung) die Möglichkeit der Überlagerung von Struktur- und Fluidelementen. Damit kann eine effektive Strategie zur vibroakustischen Kopplung heterogener Materialien entwickelt werden. Der numerische Aufwand dieser komplexen Simulationen ist auch unter Nutzung fiktiver Gebietsmethoden immer noch sehr hoch. Daher ist es ein weiteres Ziel, neben den mikrostrukturell aufgelösten Modellen auch vereinfachte Modelle auf der Basis von Verfahren zur numerischen Homogenisierung abzuleiten. Trotz der starken Abstraktion der Wirklichkeit wird erwartet, dass für verschiedene Anwendungen brauchbare Ergebnisse erzielt werden können. Der letzte Schwerpunkt des Projektes besteht in der experimentellen Validierung der entwickelten numerischen Methoden. Dazu werden verschiedene Versuchsstände genutzt. Für die Umsetzung der vibroakustischen Kopplung ist das Schwingungsverhalten der Struktur entscheidend. Dieses kann mit Hilfe eines 3D Laser-Scanning-Vibrometers untersucht werden. Zusätzlich werden die frequenzabhängigen akustischen Parameter unter Nutzung verschiedener einfacher Messaufbauten, wie bspw. einem Kundtschen Rohr, gemessen und jeweils mit den simulativ ermittelten Ergebnissen verglichen. Weiterhin wird in einem Freifeldraum die Schallabstrahlung mit Hilfe von Mikrofon-Arrays und Fernfeldmikrofonen vermessen. Auf der Basis dieser Daten kann die Leistungsfähigkeit der implementierten Modelle nachgewiesen werden. Abschließend werden Richtlinien für deren Nutzung abgeleitet.

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Das Projekt widmet sich der Entwicklung einer effizienten Berechnungsmethodik zur Lösung dreidimensionaler vibroakustischer Problemstellungen unter Einsatz poröser Dämmmaterialien. Hierbei ist es das Ziel, die Mikrostruktur des Dämmmaterials aufzulösen, um aktuelle Grenzen der oft eingesetzten Biot’schen Theorie zu überwinden, die insbesondere für die Modellierung geschlossenporiger Schäume ungeeignet scheint. Um die angestrebte, äußerst aufwendige geometrieaufgelöste Modellierung zu ermöglichen, sollen fiktive Gebietsmethoden mit höherwertigen Ansatzfunktionen eingesetzt werden. Diese lassen sich zum einen sehr vorteilhaft auf Voxel-Daten anwenden und zum anderen ist eine hohe Effizienz für Wellenausbreitungsprobleme zu erwarten.

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Simulationsbasierte und sensorisch funktionalisierte Gehäusekonzeptionierung

Im Rahmen des ZIM-Netzwerkes INSTANT werden vordergründig medizinische Fragestellungen erörtert. Das FuE-Projekt COCOON fokussiert innerhalb des Netzwerks die Verminderung von Geräuschbelastungen bei diagnostischen und interventionellen bildgeführten Verfahren.
Verschiedene medizinische Studien zeigen, dass andauernde hohe Geräuschpegel zu Konzentrationsschwächen, Stress, Beeinträchtigungen des Gedächtnisses, allgemeiner Leistungsminderung und anderen Erscheinungen bis hin zum Burnout-Syndrom führen können. Solche Stress- und Angstsituationen sind der Genesung von Patienten unzuträglich und führen zu längeren Behandlungszeiten und somit zu vermehrten Kosten. Auf der Seite des klinischen/medizinischen Personals können die Geräuschbelastungen, beispielsweise bei mehrstündigen bzw. mehreren aufeinanderfolgenden Interventionen zu Konzentrationseinbußen und Behandlungsfehlern führen.
Die Entstehung von lauten Geräuschen ist bei vielen Maschinen nicht oder nur mit Eingriff in die bestehende Struktur zu unterbinden. Allerdings können technische Maßnahmen ergriffen werden, um die Geräuschausbreitung und -weiterleitung zu behindern und somit die störenden Geräuschemissionen zu minimieren. Im Projekt COCOON werden Verfahren zur Konzeptionierung und Fertigung akustisch optimierter Gehäuse für medizinische Großgeräte erforscht, wodurch sich auch hinsichtlich Zulassung und verwendeter Materialien sehr hohe Ansprüche ergeben.
Des Weiteren wird der ambitionierte Ansatz verfolgt ein "Diagnosesystem” zur Zustandserfassung der Produktfunktionalität zu erforschen. Die frühzeitige Alarmierung bei Fehlfunktionen soll Geräteausfälle minimieren und kann so zur Produktüberwachung nach dem Inverkehrbringen beitragen.

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Filler reinforced elastomer blends play a key role in the design and optimization of high performance rubber goods like tires or conveyer belts. In most cases, a phase separated, anisotropic blend morphology develops during the last processing steps (extrusion, calendering, injection moulding), which lowers its free energy by coagulation and relaxation processes, before the morphology is frozen by cross-linking. The development of the detailed phase morphology and its influence on the high-frequency viscoelastic response, affecting e.g. friction, fracture and wear properties, is not well understood at present but of high technological and scientific interest.
Accordingly, one main objective is the physically motivated modelling and numerical simulation of the thermo-chemically driven phase separation of filled elastomer blends with realistic, microscopic input parameters obtained from independent physical measurements. Beside the chemical compatibility of the polymers and the fillers, also the effect of mechanical stress on the phase dynamics shall be investigated. In combination with elaborated experimental methods, the phase field modelling for Cahn-Hilliard and Cahn-Larché type diffusion shall be applied. The local phase field equations, considering at the end three phases, must be implemented into the isogeometric analysis, allowing for the study of complex interaction of multi-phase materials with different material characteristics. The experimental focus lies on the evaluation of thermodynamic polymer-polymer- and polymer-filler interaction parameters that govern the phase morphology and filler distribution. For the simulation of phase boundary dynamics, the collective chain mobility shall be estimated as an input parameter of the Cahn-Hilliard type dynamic equation.
A second objective is the modelling and numerical simulation of the high-frequency linear viscoelastic response of unfilled and filled elastomer blends, which shall be based on the distinct phase morphology including domain and interphase size, filler distribution and cross-linking heterogeneities. The non-linear response will be analysed in a future project.
The results of phase field simulations shall be compared to experimental investigations of phase mixture processes and numerically evaluated viscoelastic moduli shall be correlated with experimentally constructed viscoelastic master curves.
The sum of the both objectives leads to a complete numerical procedure with which it is possible to simulate the complete cycle of producing and using a new polymer blend for later engineering applications by optimizing the involved process and distinctive material parameters.

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Ziel der Dissertation ist die Entwicklung, beziehungsweise Weiterentwicklung, von Finite-Elemente-Technologien im Bereich der gemischten Formulierung. Der Fokus liegt hierbei auf der Verschiebung-Druck-Dehnung-Formulierung (u/p/e), da sie gleichzeitig ermöglicht, inkompressibles Materialverhalten zu meistern sowie eine gesteigerte Genauigkeit in der Berechnung der Spannungen und Dehnungen zu ermöglichen.

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Das Ziel des Verbundvorhabens DampedWEA ist die Erhöhung der Akzeptanz von Windenergieanlagen (WEA). Dadurch sollen neue Regionen für WEA, insbesondere in der Nähe bewohnter Gebiete, erschlossen werden. Dazu ist eine Verminderung des abgestrahlten Schallpegels erforderlich. In diesem Verbundvorhaben liegt der Fokus auf den tonalen Emissionen, die durch die erfolgreiche Optimierung hinsichtlich aeroakustischer Emissionen immer stärker in den Vordergrund treten und nun ein Problem darstellen. Um diese ausreichend zu reduzieren, kommen innovative Konzepte zur Schwingungs- und Schallreduktion zum Einsatz. Die wesentliche Quelle der tonalen Störgeräusche ist der Generator, da sich die Vibrationen aus dem Generator über die Lager und den Antriebsstrang oder über die Generatortragstruktur in die gesamte Windenergieanlage ausbreiten und schließlich als Schall abgestrahlt werden. Tonale Geräusche sind für die Akzeptanz der Bevölkerung besonders kritisch, da diese als wesentlich lästiger wahrgenommen werden als ein breitbandiges Rauschen.

In diesem Projekt sollen Transmissionspfade untersucht werden, an denen die Erforschung des Schallminderungspotentials erfolgversprechend ist. Darüber hinaus werden viele verschiedene Konzepte erprobt, die teilweise weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen. Das Projekt wird im Konsortium bestehend aus WRD/Enercon mit den Forschungspartnern DLR, Fraunhofer IFAM, der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und der Leibniz Universität Hannover durchgeführt.

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Im Fokus des vorliegenden Projektantrages stehen innovative akustische Metamaterialien. Dabei handelt es sich beispielsweise um akustisch wirksame Schaummaterialien, in denen durch zusätzlich eingebrachte Festkörper mit hoher Steifigkeit lokale Resonanzeffekte erzeugt werden sollen. Auf diesem Weg soll erreicht werden, dass die Dämm- bzw. Dämpfungswirkung dieser Materialien insbesondere im tieffrequenten Bereich signifikant verbessert wird. Allerdings fehlen bisher allgemeine Richtlinien, wie ein akustisches Metamaterial zu gestalten ist, um eine bestmögliche und insbesondere eine breitbandige Wirkung zu erzielen. Das Ziel des beantragten Projektes ist es, ein zuverlässiges und effizientes numerisches Werkzeug zu entwickeln, um in weiterführenden Forschungsarbeiten eine umfassende Analyse der Mechanismen, Einflussfaktoren und Designparameter sowie gezielte Topologieoptimierungen akustischer Metamaterialien durchzuführen zu können. Für die vibroakustischen Analysen soll eine Kopplung der Finiten Zellen Methode (FCM) und der Randelementemethode (BEM) entwickelt werden. Die FCM soll für die strukturdynamischen Berechnungen eingesetzt werden, um die heterogene Struktur der Metamaterialien adäquat und effizient abzubilden. Für die Bewertung verschiedener akustischer Metamaterialien wird der resultierende Schalldruck im umgebenden Luftvolumen sowie die abgestrahlte Schallleistung herangezogen. Die Berechnung der Schallabstrahlung erfolgt mit Hilfe der BEM, da diese insbesondere für die Bewertung im Fernfeld im Vergleich zu volumendiskretisierenden Methoden eine effiziente Möglichkeit zur Berechnung des akustischen Feldes darstellt. Im Rahmen des Projektes sollen auch die Vorteile höherwertiger Ansatzfunktionen ausgenutzt werden. Nach erfolgreicher Implementierung werden kommerzielle FE-basierte Berechnungsprogramme, analytische Vergleichslösungen und experimentelle Untersuchungen genutzt, um die entwickelten Methoden ausführlich zu verifizieren und zu validieren.

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Robotics has developed by leaps and bounds over the last few decades and many of the challenges of medium to large scale robotics have found suitable solutions. However, at the mesoscale, on the order of a millimeter to centimeters, few of these challenges have been addressed, chief among them, fabrication and actuation. Due to favourable scaling characteristics, piezoelectric actuation becomes more appropriate than electromagnetic actuation at small scales. Piezoelectric materials provide an actuation as they are materials that generate strain when a voltage is applied to them. They also generate a voltage when strained, which gives them the capability to operate as sensors or actuators, or both simultaneously. Due to their small total displacement, large bandwidth, and lack of friction, they have the ability to generate fast and precise movements.

The overall goal is to optimize a new class of piezoelectric motors based on a series of unimorph (a piezoelectric material bonded to a substrate) arms. The Canadian partner, Assistant Prof. Dr. Ryan Orszulik, has recently designed and fabricated a series of prototypes of a piezoelectric motor which has a planar rotor diameter of 9 mm, stator diameter of 8 mm, a total integrated motor thickness of 0.8 mm, weighs approximately 200 milligrams, and is capable of producing bidirectional motion with relatively low rotational speeds but high torque. However, a number of challenges remain, the most important of which is optimizing the torque density of the motor. For this purpose a numerical optimization will be used, which considers the mass and volume limitations, in order to achieve much higher torques without compromising structural integrity. This multi-objective optimization is a very challenging task, especially on such small scales. For mesoscale robotic applications, it is the torque that is of the greatest interest as it mitigates the need for a gearbox, which is very difficult to manufacture and integrate at these small scales. The unimorph based piezoelectric motor that is the focus of this project is simpler to construct, as it relies on non-standard planar fabrication techniques, and requires only a single drive source at a lower frequency to produce a high torque. In this research program, the goal is to leverage new fabrication techniques to create and miniaturize these piezoelectric motors, test them, and optimize them via analytical and finite element techniques. By employing the developed design, modeling, and fabrication techniques, a number of applications will be pursued including miniature autonomous vehicles and surgical instruments. The most promising possible application, which would create further opportunities for collaboration with the satellite design laboratory at York University, is to use these motors as the actuator for single gimbal control moment gyroscopes in pico to femto class satellites.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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Dieses Projekt ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Mehrkörperdynamik und des Lehrstuhls für Numerische Mechanik mit jeweils einem wissenschaftlichen Mitarbeiter pro Partner. Das Kernziel des Projektes ist die Entwicklung einer praxistauglichen Simulationsmethodik zur Berechnung der Schallemissionen von Motoren und deren psychoakustische Bewertung. Dies ermöglicht es, Auswirkungen von Strukturmodifikationen (Steifigkeit, Massenverteilung) sowie tribologischen Systemparametern (Lagerspiele, Viskosität, Desachsierung und Füllungsgrad) unmittelbar auf die Anregungsmechanismen und die inneren Körperschallwege zurückzuführen und präventiv im Sinne einer akustischen Optimierung durch konstruktive und tribologische Maßnahmen zu bekämpfen. Dieser reine Virtual Engineering Ansatz soll gänzlich ohne reale Prototypen auskommen und somit bereits früh im Motorentwicklungsprozess eine akustische Bewertung ermöglichen. Somit können in Abstimmung mit den Entwicklergruppen angrenzender Themenbereiche konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der akustischen Qualität realisiert werden, ohne andere wichtige Auslegungskriterien, wie Leistung, Schadstoffemission oder Gesamtmasse, negativ zu beeinflussen.
Im Gegensatz hierzu sind passive Maßnahmen zur Bekämpfung von Schallemissionen durch beispielsweise Dämmungen in der Regel kostenintensiv, da sie neben zusätzlichem Material auch zusätzliche Montageschritte erfordern und sich somit auf den Produktionsprozess auswirken. Gleichzeitig steht dies dem Gedanken des Leichtbaus sowie der Verbrauchsreduktion und Umweltfreundlichkeit entgegen und führt zu einem zusätzlichen Bauraumbedarf, der üblicherweise eine sehr knappe Ressource bei der Entwicklung moderner Motoren und Automobile darstellt. Das grundsätzliche Problem dieser heutzutage immer häufiger eingesetzten Dämmmaßnahmen ist deren symptomatischer Ansatz, welcher zwar die Wirkung bekämpft, die Ursachen der akustischen Störung aber außer Acht lässt.
Die ganzheitliche Methodik, die in diesem Projekt im Fokus steht, ermöglicht hingegen direkt die Analyse und Bekämpfung der Ursache der störenden Schallemissionen. Zusätzlich lässt die psychoakustische Bewertung der Schallemission eine Kategorisierung in störende und weniger störende Schallemissionen zu. Dadurch kann das Design gezielt so verändert werden, dass das entstehende Geräusch vom Menschen als angenehmer eingeordnet wird, schließlich kann ein leises Geräusch trotzdem störender empfunden werden als ein lautes.

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Ziel des Projekts ist eine umfangreiche Untersuchung von Elastomerpads, die in einem Fahrzeuggelenk der Siemens Mobility GmbH zum Einsatz kommen. Hierzu werden Finite-Elemente-Analysen durchgeführt, um die Verformungseigenschaften des Gelenks und insbesondere der eingebauten Elastomerpads qualitativ zu bewerten. Zudem sollen experimentelle Untersuchungen an den Elastomerpads von der Firma Siemens Mobility GmbH durchgeführt werden, um die entsprechenden Materialeigenschaften genauer charakterisieren zu können. Hierdurch lassen sich in den FE-Analysen genauere Zusammenhänge zwischen Materialauswahl und Struktureigenschaften bestimmen.

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Ziel des Projekts ist eine Methode zur Generierung einfacher Geometrien von Gefäßmodellen, die nur wesentliche Informationen beinhaltet, die zur späteren Rekonstruktion von vereinfachten Simulationsmodellen für die Finite-Elemente- und CFD-Methode genutzt werden können.

Der Fokus hierbei liegt auf der Geometriekomprimierung und -rekonstruktion der Gefäßinnenwand mit Hilfe von parametrisierten NURBS. Durch die NURBS wird die Mittellinie des Gefäßes repräsentiert. Weitere wichtige Kenngrößen (wie z.B. der Gefäßdurchmesser, die Krümmung des Gefäßes und auch die Gefäßdicke) werden parametrisiert an den einzelnen Stützstellen der NURBS abgespeichert. Auf diese Weise wird die Geometrie auf das Wesentlichste reduziert, enthält aber die wichtigsten Informationen um daraus in einem Rekonstruktionsprozess die benötigte 3D-Geometrie des Gefäßmodelles wieder zu erlangen. Diese Geometrie kann im Folgenden für die verschiedensten Softwaresysteme genutzt werden um entsprechende Simulationen durchzuführen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Parameter beliebig zu variieren um somit auch neue realitätsnahe Gefäßmodelle für Vergleichssimulationen zu generieren.

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Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.
Ausgehend von einem mehrfach patentierten, weltweit einzigartigen Leichtbaumotorkonzept der OVGU konzentrieren sich die Arbeiten im Forschungsbereich ANTRIEBSSTRANG auf die Weiterentwicklung und prototypische Darstellung der neuen Motortechnologie, deren Integration in den Antriebsstrang sowie deren Betrieb entsprechend gegebener Sicherheits- und Komfortanforderungen (Fahrdynamik). Gleichzeitig bieten sich im Bereich der Grundlagenforschung weitere Innovationsschritte zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Motortechnologie, die in diesem Förderzeitraum erschlossen und in Prototypen umgesetzt werden sollen.

Inhalt des Teilprojekts AR4:
Der abgestrahlte Lärm ist ein zentrales Problem aller elektrischen Maschinen. Dies liegt vor allem daran, dass die typische Schallemission eines Elektromotors sehr tonal und sehr hochfrequent ist und somit einerseits im Bereich der Hörfläche liegt, in dem der Mensch am besten hört, und andererseits als besonders lästig empfunden wird. Aus diesem Grund sollen im Rahmen dieses Teilprojektes Methoden und Lösungen erarbeitet werden, um das akustische Verhalten von elektrischen Maschinen signifikant zu verbessern. Das Ziel besteht nicht nur darin, den Schalldruckpegel zu reduzieren sondern zusätzlich auch ein möglichst unauffälliges beziehungsweise angenehmes Geräusch zu erzielen, weshalb das menschliche Wahrnehmungsvermögen in die Betrachtungen mit einbezogen wird. Für die Entwicklungen werden sowohl modernste kommerzielle Simulationsmethoden sowie eigene Softwareerweiterungen eingesetzt als auch umfangreiche experimentelle Untersuchungen und Hörversuche genutzt. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Schwingungsanalysen mittels Laservibrometrie im stehenden und rotierenden System (Derotatormessungen), Messungen des Schalldrucks mit Fernfeldmikrofonen sowie Messungen mit Mikrofonarrays (akustische Kamera) in einer schallarmen Kammer. Das Ziel der experimentellen Untersuchungen besteht darin, einerseits die Simulationsmodelle zu validieren und andererseits den Mehrwert der erarbeiteten Lösungen nachzuweisen. Neben der Akustik steht der Leichtbau im Fokus. Die zu erarbeitenden Konzepte sollen sowohl akustisch unauffällig sein als auch eine minimale Masse besitzen.
Dabei werden unter anderem alternative Materialien (Al-Schaumstrukturen, Metamaterialien, GFK, CFK), innovative Dämpfungsstrategien, neuartige Konstruktionsdesigns (z.B. additive Fertigung), sowie die Einbeziehung von Anbauteilen (z.B. Getriebe) im Sinne zusätzlicher Anregungsquellen untersucht. Um sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität trotz der ergriffenen Leichtbaumaßnahmen gewährleistet ist, werden Spannungsanalysen und Festigkeitsberechnungen durchgeführt. Diese beinhalten sowohl statische als auch dynamische Lastfälle. Die dynamischen Spannungsanalysen sind zwingend erforderlich, um den wirkenden Trägheitskräften infolge der zeitlich stark veränderlichen Vorgänge sowie den impulshaften Anregungen während typischer Betriebsszenarien Rechnung zu tragen.

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Welding is considered as one of the most indispensable processes in many industrial sections for joining. In many structures, welds are known as a critical sections led to mechanical failures. There are a variety of physical defects such as undercut, insufficient fusion, excessive deformation, porosity, and cracks that can affect weld quality. Of those defects, cracks are considered to be the worst since even a small crack can grow and lead to failure. All welding standards show zero tolerance for cracks whereas the other defects are tolerated within certain limits. There are three requirements for cracks to form and grow: a stress-raising defect, tensile stress, and material with low fracture toughness. Microscopic defect locations are available in practically all welds including geometric features and weld chemistry that can raise the local stress enough to induce a crack. That leaves the engineer to work with the stress environment and toughness: if either of the two can be effectively controlled then cracks can be prevented from initiating and growing. Toughness is a measure of resistance to crack growth; resistance can be provided by blunting of the crack tip in ductile materials. However, if applied strain rate is very high (as would be the case when a spot weld cools at the end of the pulse) and the stress field is multi-axial, even ductile materials exhibit poor toughness and produce rapid crack growth. Hard materials, such as martensite formed during cooling of steels, are brittle and have poor toughness. Having a deep understanding of the residual stresses in welding, micro structure and mechanical behavior of HAZ, multi axial fatigue strength, crack progress behavior and the effect of improvement techniques on welded structures will result in manufacturing more reliable and minimizing weight and increasing structural strength.
The following objectives of this project are:
- Modeling welding process by considering the phase transformation changes occurred in base and weld metal during the heating and cooling process.
- Effect of weld material strength and number of weld passes on the fatigue strength.
- Influence of heat treatment process like stress releasing, annealing hardening on fatigue behavior.
- Development of damage mechanics rules based on numerical analysis for predicting the ductile failure, fatigue life crack initiation.
- Numerical modelling of fatigue crack initiation and propagation based on phase field theory.
- Achieving experimental data by carrying out on universal servo hydraulic machine to investigate the influence of multi axial stresses on fatigue strength and fatigue life.
- The effect of residual stresses caused by welding on the fatigue life.
- Investigating HFMI process on residual stresses and fatigue strength by means of numerical and experimental work.

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Ziel des Projekts BELUCCI ist die Etablierung und Validierung eines neuartigen Ansatzes zur Behandlung intrakranieller Aneurysmen mit Flow Divertern, der auf Basis von patientenspezifischen anatomischen Auswahlparametern eine individuelle und simulationsbasierte Planung, Implantatauswahl/-fertigung und Beratung umfasst. Im Rahmen des Projektes soll ein standardisierter Individualisierungsprozess entwickelt werden, um jedem Patienten das optimale Implantat für das individuelle Aneurysma zur Verfügung stellen zu können und damit die Wirksamkeit und Sicherheit der Prozedur substantiell zu verbessern. Der Ansatz wird im Rahmen des Projektes anhand patientenspezifischer Aneurysmamodelle klinisch evaluiert. Im Teilvorhaben am IFME wird ein computergestütztes Design-Tool zur numerischen Untersuchung und Auslegung von individualisierten Flow Diverter entwickelt.

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Der Meisterbock dient, primär für Fahrzeugneuanläufe, als Mess- und Analysemittel von Exterieurbauteilen. Dazu gehören u.a. die Blech-Anbauteile wie Kotflügel, Türen, Front- und Heckklappen sowie Seitenteile. Um diese Bauteile und deren Interaktion im Einbauzustand zu bewerten bzw. zu qualifizieren, wird jedes Teil am Meisterbock montiert und wiederholgenau mithilfe des standardisierten Referenz-Punkt-Systems (RPS) ausgerichtet. Das Ziel dieses Projektes besteht darin, diesen Qualifizierungsprozess durch den Einsatz von numerischer Simulation mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) zu optimieren, um den Aufwand der physischen Aufbauten zu reduzieren und damit die Effizienz zu steigern.

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Ziel des Projekts ist eine umfassende Parameterstudie im Rahmen von Verformungsanalysen eines neuartigen Hochleistungsklebebands. Wesentlicher Punkt ist hierbei die Auswahl eines geeigneten Materialmodells für den Kern und die Haftschichten. In anschließenden FE-Analysen des Stirnzugversuchs werden die Materialparameter und Schichtdicken variiert, um dessen Einfluss auf das Gesamtverhalten sowohl qualitativ als auch quantitativ einzuschätzen.

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Der Bruch unter thermomechanischer Belastung ist ein komplexes Versagensbild, das in Werkstoffen und Bauteilen gravierende Auswirkungen zufolge hat. Die Vorhersage der Bruchverhaltens durch die Rissinitiierung und -ausbreitung in Metallen mithilfe der numerischen Methoden hat immer größere Bedeutung in der technischen Anwendung gewonnen. Die klassischen Theorien aus der Bruchmechanik umfassen nur die Kriterien zur Rissausbreitung, können aber nicht zur Vorhersage der Rissinitiierung verwendet werden. Des Weiteren können keine Aussagen zu gekrümmten Rissen sowie zur Rissverzweigung getroffen werden. In den vergangenen zehn Jahren erfolgte die Übertragung und Weiterentwicklung der Phasenfeldmethode zur Beschreibung der Rissbildung und -ausbreitung. Diese Methode bietet einen leistungsstarken und flexiblen Rahmen für die Untersuchung des Bruchverhaltens von Materialien unter beliebig komplexen thermomechanischen Belastungen. Durch die Definition eines zusätzlichen Freiheitsgrades, des sogenannten Ordnungsparameters, erfolgt die Rissbeschreibung im Modell. Zusätzlich kann die Wärmeleitungsgleichung einbezogen werden, etwa falls thermische Spannungen die Rissausbreitung dominieren. In Betracht kommen hier sowohl das langsame als auch das schlagartige Aufheizen. Analog zur Rissbetrachtung wird dazu das Temperaturfeld als zusätzlicher Freiheitsgrad behandelt. Die daraus resultierenden Gleichungen können mithilfe der Finiten-Elemente-Methode gelöst werden. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Ausarbeitung eines Modells, welches die mathematische Beziehung zwischen den thermomechanischen Belastungen und der Rissinitiierung sowie der Rissausbreitung bei hohen Temperaturen beschreiben kann. Den Ausgangspunkt des multiphysikalischen Modells bilden die konstitutiven Gleichungen aus der Thermoelastoplastizität, welche mithilfe der Phasenfeldmethode gelöst werden. Die Freiheitsgrade des Modells umfassen dabei die Verschiebung, die Temperatur sowie das Phasenfeld zur Rissbeschreibung.

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Elastomermembranen werden als Flachmembranen in oszillierenden Pumpen oder für druckbetätigte kurzhubige Stell- und Regelorgane eingesetzt. Im Vergleich zu Metallmembranen sind Elastomermembranen sehr weich und nachgiebig. Zur Verstärkung und Widerstandsfähigkeit von Elastomermembranen werden häufig Gewebe in das Elastomer eingelegt. Die Membranen sind oftmals einer Vielzahl an komplexen und hochbelasteten Schaltzyklen ausgesetzt und müssen aufgrund ihrer wichtigen Funktion optimale Lebensdauereigenschaften erfüllen.

Aufgrund der Komplexität der Elastomermembranen ist eine zuverlässige Abschätzung der mechanischen und der Lebensdauereigenschaften allein auf Basis von Erfahrungswerten kaum möglich. Im Rahmen dieses Projektes soll mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) ein Simulationswerkzeug entwickelt werden, das zur realitätsnahen Verformungs- und Lebensdaueranalyse von gewebeverstärkten Elastomermembranen eingesetzt werden kann.

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Die Modellierung von Phasenfeldern und Größeneffekten in Festkörpern, wie z.B. die Breite von Scherbändern oder die Abhängigkeit der Korngröße von plastischen Vorgängen in Polykristallen, bedingt einen unkonventionellen Kontinuumsansatz mit integrierten Längenskalen. Mit dem zunehmenden Trend zur Miniaturisierung und zu nanotechnologischen Anwendungen wird diese Art der Modellierung zukünftig einen hohen Stellenwert einnehmen.
Die gemischte Mehrfeld-Modellierung von gradientenbasierten Problemen ist eine kürzlich entwickelte thermomechanisch konstistente Methode, die hierfür sehr gut geeignet ist. Die Grundidee ist die Erweiterung der internen Variablen auf mikromechanische Größen und die Entwicklung des makro- und mikromechanischen Gleichgewichts in geschlossener Form.

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Seit mehreren Jahren wird die Todesursachenstatistik in Deutschland von Herz-/ Kreislauf-Erkrankungen dominiert. Laut statistischem Bundesamt waren diese im Jahr 2015 für ca. 39 % aller Todesfälle verantwortlich. Hierzu zählt u.a. der Schlaganfall, welcher durch eine Subarachnoidalblutung hervorgerufen werden kann. Dabei gelangt Blut in den, das Gehirn umgebenden, Subarachnoidalraum. Überwiegend werden diese Blutungen durch die Ruptur von zerebralen Aneurysmen verursacht. Dies sind ballonartige Erweiterungen arterieller Blutgefäße, welche ca. 2-6 % der westlichen Bevölkerung im Laufe ihres Lebens entwickeln. Eine Ruptur erfahren schließlich ca. 10 von 100 000 Personen pro Jahr.
Diverse Maßnahmen sollen eine solche Ruptur verhindern. Durch chirurgische (Clipping) oder endovaskuläre (Coiling, Ballonangioplastie, Stenting, Platzierung von Flow-Divertern oder WEB-Devices) Eingriffe wird der Bluteintrag ins Aneurysma reduziert. Dies zielt auf die Bildung von Thromben ab, welche einen natürlichen Verschluss des Gefäßes hervorrufen. Diese Maßnahmen sind weder risikolos noch zwangsläufig erfolgreich. Das motiviert die Entwicklung von neuen sowie die beständige Verbesserung etablierter Verfahren.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Stents mit neuartigem Wirkprinzip zur therapeutischen Deformation der Trägergefäße von intrakraniellen Aneurysmen. Infolge der gezielten Leitung des Blutflusses stellt sich eine günstigere Hämodynamik ein und der Bluteintrag ins Aneurysmainnere wird reduziert. Dies wiederum erhöht die Verweilzeit des Blutes im Aneurysma und fördert die natürliche Thrombosierung, wodurch das Aneurysma  verschlossen wird.
Dies ist ein völlig neuartiges Konzept in a) der Behandlungsmethode und b) dem dafür notwendigen Stent-Design. Deshalb sollen in diesem Rahmen die simulativen Methoden entwickelt werden, um die individuelle erwartete Wirksamkeit dieses Konzeptes zu bestimmen.

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Im Rahmen des Projektes werden FE-Simulationen zu einer neu konzipierten Impact-Schutz-Kupplung unter mechanischen und thermischen Belastungen realisiert. Diese Kupplung besteht aus einer modifizierten Welle-Nabe-Verbindung, die zur Übertragung eines konstanten maximalen Drehmoments über mehreren Zyklen genutzt werden soll.
Hierzu sollen Validierungssimulationen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) für einen vereinfachten Prüfaufbau umgesetzt werden. Dieser axiale Prüfaufbau besteht aus zwei identischen Probekörpern, die an einer Kreisringfläche axial mit einer Anpresskraft belastet und dann gegeneinander verdreht werden.
Es werden umfangreiche Material- und Systemkennwerte sowie die praxisnahen Randbedingungen berücksichtigt, um einen angemessenen Abgleich zwischen vorhandenen Experimenten und FE-Simulationen zu ermöglichen. Zudem werden im Anschluss Parameterstudien durchgeführt, um deren Einfluss auf die Systemantwort zu verstehen. Zu diesen Parametern gehören z.B. die Schichtdicke und der Reibkennwert. Neben der Variation des Anpressdrucks werden auch Simulationen unter veränderten Temperaturen berücksichtigt.

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Kardiovaskuläre Erkrankungen sind in den westlichen Ländern heutzutage die Haupttodesursache. Es gibt verschiedene Behandlungsmethoden für solche Pathologien, aber der zukunftsweisende Trend ist die perkutane minimalinvasive Therapie. Hierbei werden Hightech Endoprothesen über einen endoluminalen Pfad in den pathologischen Bereich eingebracht. Mit einer der bekanntesten Familie solcher Implantate sind Gefäßstützen, oder auch Stents genannt. Sie sind durch ihre komplexe Geometrie und der nicht-trivialen Materialeigenschaften gekennzeichnet. Der sichere Einsatz dieser Stents bedarf einer kontinuierlichen technologischen Verbesserung im Hinblick auf Material, Design und Einsatzbedingungen, um eine sichere Implantation, eine effiziente Medikamentenfreisetzung und ein optimales Langzeitverhalten zu erreichen. Zudem erfährt das Konzept der prädiktiven Medizin, d.h. die Vorhersage von alternativen Behandlungsmethoden am individuellen Patienten, einen immer größer werdenden Stellenwert, was nicht ohne robuste und kosteneffiziente Simulationsmethoden möglich ist.
Mit diesem Projekt soll ein Beitrag zur effizienten Simulation des Verformungsverhaltens von Carotis-Stents in der Halsschlagader geleistet werden. Langfristiges Ziel ist die Echtzeit-Simulation des Stentverhaltens während der synchronen Operation am Menschen, so dass verschiedene Vorgänge kurz vor der realen Platzierung virtuell erprobt und bezüglich des individuellen Patienten optimal durchgeführt werden können.

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Shape memory alloys (SMA) can undergo phase transformation between a high-ordered austenite phase and a low-ordered martensite phase, as a result of changes in the temperature and the state of stress. Consequently, SMA exhibits several macroscopic phenomena not present in the traditional materials. Two significant phenomena are the shape memory effect (SME) and the pseudoelastic effect (PE). These unique features of SMA have found important fields of applications especially in medical technology. The increasing use in commercially valuable applications have motivated a vivid interest in the development of accurate constitutive models to describe the thermomechanical behaviour of SMA. In this project a thermomechanical 3D model for SMA, which includes the effect of pseudoelasticity as well as the shape memory effect will be extended with regard to fatigue behaviour and crack resistance.

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In diesem Projekt wird die tiefgreifende Untersuchung zur Lebensdauer von technischen Gummiwerkstoffen unter mehrachsigen Belastungszuständen und im Speziellen unter Scherung mit rotierenden Achsen durchgeführt.

Neben experimentellen Untersuchungen wird schon in der Frühphase des Projekts ein theoretisches Konzept zur Lebensdauervorhersage entwickelt, das in Anlehnung an die Scherung mit rotierenden Achsen einen viel weiteren Bereich als bisherige konventionelle Konzepte abdecken kann.

Das Konzept soll mittels weiterer zielführender Versuche zur beidseitigen Scherung, Scherung mit rotierenden Achsen sowie unter einseitiger Scherung und Zug validiert werden. Hierbei wird auch die Belastungsamplitude variiert.

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Ziel des von der Luxembourgischen Forschungsgesellschaft (FNR) geförderten Projekts ist die numerische Untersuchung der Effizienz von speziellen Elastomerwerkstoffen im Hinblick auf dessen Rollwiderstandseigenschaften. Hierzu wird das so genannte Dynamische Flockulationsmodell (DFM) eingesetzt und weiterentwickelt. Dieses physikalisch motivierte Materialmodell kann das inelastische Materialverhalten von gefüllten Elastomeren unter zyklischer Belastungshistorie (wie z.B. Mullins-Effekt und Spannungs-Dehnungs-Hysterese) in einem großen Dehnungsbereich realitätsnah darstellen. Die Erweiterung des Materialmodells auf zeit- und temperaturabhängige Phänomene ermöglicht eine genauere Abbildung der dissipativen Eigenschaften des Materials unter dynamischen Belastungen, wie sie beim rollenden Reifen auftreten. Schließlich wird mithilfe des Materialmodells eine Korrelation zwischen der auftretenden Dissipation und dem Rollwiderstand hergestellt, die zur gezielten Materialauswahl für Reifenlaufflächen genutzt werden kann.

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Doppelseitige Klebebänder zeichnen sich durch ihre viskoelastischen sowie besonders guten Hafteigenschaften auf einer Vielzahl von Untergründen aus. Sie bestehen entweder als ein Mehrschichtsystem aus einer dünnen Klebeschicht auf der Ober- und Unterseite aufgetragen auf eine innere Trägerschicht oder es wird ein einziges Material eingesetzt, das sowohl als Klebeschicht als auch als Trägermaterial dient.
In diesem Forschungsprojekt wird ein Simulations-Tool entwickelt, das unter Berücksichtigung der komplexen Werkstoffcharakteristiken, wie z.B. starke Nichtlinearität und Viskoelastizität des Materials, eine bessere Abschätzung der Einsatzgrenzen ermöglicht. Mithilfe dieses Tools können auf einfache Weise die Modellparameter bezüglich Materialvariation, zeitabhängige Änderungen der äußeren Randbedingungen und Langzeitverhalten angepasst werden und realitätsnahe Voraussagen über das komplexe Strukturverhalten von ein- und mehrschichtigen Hoch­leistungs­klebe­bändern gemacht werden.

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Die Qualität und Aussagekraft von FEM-Simulationen technischer Bauteile wird durch die Eignung sowohl der verwendeten Stoffgesetze als auch der zugeordneten Materialparameter limitiert.
 
Ein für die industrielle Anwendung geeignetes Materialmodell ist nicht unbedingt eine möglichst genaue und vollständige Nachbildung des realen Werkstoffverhaltens. Vielmehr bedingt die Praxistauglichkeit eines Stoffgesetzes einen ausgewogenen Kompromiss zwischen problemspezifischen Anforderungen an Geltungsbereich, Genauigkeit und Eigenschaftskombination der Materialbeschreibung auf der einen Seite und wirtschaftlichen Beschränkungen bezüglich erforderlicher Computerkapazitäten und Berechnungszeiten auf der anderen Seite.

Die Anpassung der entsprechenden Materialparameter wird in den häufigsten Fällen mithilfe von homogenen Versuchen an Laborprüfkörpern realisiert. Allerdings haben technische Bauteile und zugehörige Laborprüfkörper in der Regel sehr verschiedene Geometrien und werden zudem häufig in unterschiedlicher Weise hergestellt. Dies bedingt in vielen Fällen gravierende Abweichungen im Materialverhalten. Bauteilsimulationen mit Stoffgesetzen, die an Messungen an solchen Prüfkörpern angepasst wurden, sind somit bereits von vornherein fehlerbehaftet.

Kernziel des Forschungsvorhabens ist die Realisierung eines für die industrielle Nutzung geeigneten Computerprogramms zur Identifikation von Stoffgesetzparametern, das die effiziente Verwendung von Messdaten aus Versuchen an bauteilnahen Prüfkörpern mit inhomogen verteilten Spannungen und Verzerrungen ermöglicht. Auf diesem Weg werden die oben genannten Nachteile der Beschränkung auf homogene Referenzmessungen vermieden, und es eröffnet sich die Möglichkeit, spezifische Besonderheiten von Produktgruppen und Belastungsprozessen bei der Anpassung der Stoffgesetze zu berücksichtigen. Die mit diesem Ansatz unweigerlich einhergehende Erhöhung der Rechenzeiten ist beim Leistungsumfang heutiger Standardcomputer von untergeordneter Bedeutung, sofern das Potential effizienter Algorithmen und geschickter Programmierung voll ausgeschöpft wird.

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Im Rahmen dieses Projekts wird eine fundierte Untersuchung des Verformungsverhaltens eines Rollbalgs unter praxisnahen Belastungszuständen realisiert. Während des Einbaus und dem Betrieb erfährt der Rollbalg große Verformungen, die unter anderem zu komplexen Kontaktbedingungen führen können. Hierbei kann es unter Betriebsbedingungen zum ungewünschten Frühausfall des Rollbalgs kommen. Da der Rollbalg aus gefülltem Elastomer besteht, muss ein erweitertes Materialmodell genutzt werden, das die inelastischen Eigenschaften (wie z.B. Materialerweichung, bleibende Dehnungen und Be- und Entlastungshysterese) abbilden kann.

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Mit diesem von der Deutschen Kautschukgesellschaft (DKG) geförderten Projekt soll das Entwicklungspotential von Gummibauteilen, deren Funktion wesentlich von Reibungseigenschaften abhängt, vergrößert werden. Hierzu soll auf der Basis von Computersimulationen das Verständnis von Reibungsprozessen unter Beteiligung einer Gummioberfläche verbessert werden. Dabei sollen insbesondere adhäsive Kraftanteile in ihrer Bedeutung neu beurteilt und im Zusammenhang mit nachgiebigen Kontaktflächenrauigkeiten detailliert erforscht werden. Für die Simulationen wird ein Modell eines repräsentativen Ausschnitts einer Kontaktpaarung mit realitätsnahen Oberflächenrauigkeiten erstellt. Unter Anpressdruck soll die Vergrößerung der wirksamen Kontaktfläche durch Verformung der Rauigkeiten verfolgt werden. Anschließend wird eine Belastung tangential zur Kontaktfläche simuliert. In beiden Phasen werden die Kraftanteile aus elastischer Verformung, Adhäsion und dissipativen Effekten bilanziert.

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Am Institut wurde ein Materialmodell zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von geschäumten Elastomeren entwickelt. Dieses Modell kann das äußerst komplexe Materialverhalten von geschäumten Elastomeren unter beliebiger mechanischer Beanspruchung realitätsnah abbilden. Hierbei wird über einen Homogenisierungsansatz ein funktionaler Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften und dem Porengehalt berücksichtigt. Das  Materialmodell ist bisher für quasistatische Belastungszustände entwickelt worden, d.h. zeit- bzw. frequenzabhängige Eigenschaften, sowohl der Elastomermatrix als auch der Porenstruktur, können noch nicht abgebildet werden. Ziel dieses Projekts ist die Erweiterung des Modells bezüglich der zeitabhängigen Eigenschaften, die vor allem bei hochfrequenten Belastungen durch den spontanen Druckaufbau innerhalb der Porenstruktur auftreten können. Das Modell wird zudem in ein geeignetes Finite-Elemente-Programm implementiert, so dass es für die FE-Simulation von komplexeren, mehrdimensionalen Belastungszuständen genutzt werden kann.

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In dem von der Deutschen Kautschukgesellschaft geförderten Projekt wird ein neues Materialmodell für thermoplastische Elastomere entwickelt, das die mechanischen Eigenschaften von TPEs, wie z.B. Inelastizität, Viskoelastizität und Temperaturabhängigkeit der Materialparameter, realitätsnah abbilden kann. Das Modell beruht auf einer Homogenisierungsmethode in der explizit der Volumengehalt der elastomeren und thermoplastischen Phase einfließt. Das Modell wird in die Finite-Elemente-Methode implementiert und kann somit in Zukunft für die realitätsnahe Simulation des Strukturverhaltens von TPE-Bauteilen benutzt werden.

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Für den Entwurf, die Bewertung und die Zulassung von sicherheitsrelevanten Leichtbaustrukturen ist die Vorhersage des Schädigungsverhaltens und der Restfestigkeit im Rahmen einer Schadens-toleranzbewertung ausschlaggebend. Für Faserverbundwerkstoffe (FVW) fehlen bisher hinreichend genaue und robuste Methoden zur Bewertung einer progressiven Schädigung. Die wesentliche Herausforderung für eine Analyse von FVW-Strukturen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen besteht in der Heterogenität der FVW, die zu komplexen Versagensmechanismen führt. Eine Simulationsmethodik zur Festigkeitsbewertung muß daher sowohl die Schadensinitiierung als auch den Schadensfortschritt einschließlich aller wirkenden Mechanismen und deren Interaktion abbilden können.
Im Rahmen des DFG-Projektes wird das Ziel verfolgt, eine verbesserte Methodik zur Schadensanalyse für FVW zu entwickeln. Dafür wird ein neuer adaptiver Lösungsansatz vorgeschlagen, der aus einer Kopplung der Peridynamik (PD) für potentiell geschädigte Modellbereiche mit der FEM für die ungeschädigten Bereiche besteht. Das Ziel des Projektes ist es, die Vorhersagegenauigkeit des Lasttragverhaltens zu erhöhen und dadurch robustere, sichere und ressourcenschonendere Strukturen entwickeln zu können.
Die PD ist eine vielversprechende nicht-lokale Methode zur Beschreibung der Schädigung und des dynamischen Rißwachstum vor allem in spröden Materialien. Allerdings ist der Rechaufwand extrem hoch, um eine hinreichend genaue Beschreibung des Rißverhaltens zu erreichen. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wird die Peridynamik nur in den Teilgebieten einer Struktur eingesetzt, in denen potentiell Risse auftreten können. Die übrigen Strukturgebiete werden mit Hilfe der klassischen Finite Element Methode (FEM) modelliert. Im Projekt werden geeignete Methoden der Kopplung der PD mit der FEM entwickelt, getestet und bewertet und für die Rißausbreitung eingesetzt. Sehr gute Ergebnisse wurden mit der Arlequin Methode, der alternierenden Schwarz-Methode und der Splice-Methode erzielt. Bei den Testbeispielen lieferte die Splice-Methode die besten Ergebnisse. Die Splice-Methode zeichnet sich durch ihre vergleichsweise einfachen Koppelgleichungen aus. Die im Projekt entwickelte Software wird gemäß des DFG Ziels zur "Nachhaltigkeit von Forschungssoftware" im Rahmen des Förderprogramms "e-ResearchTechnologien" frei zugänglich gemacht werden (Open Source Software), um eine Weiterverwendung durch andere Forscher zu ermöglichen.

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Der abgestrahlte Lärm ist ein zentrales Problem aller elektrischen Maschinen. Dies liegt vor allem daran, dass die typische Schallemission eines Elektromotors sehr tonal und sehr hochfrequent ist und somit einerseits im Bereich der Hörfläche liegt, in dem der Mensch am besten hört, und andererseits als besonders lästig empfunden wird. Aus diesem Grund sollen im Rahmen dieses Teilprojektes Methoden und Lösungen erarbeitet werden, um das akustische Verhalten von elektrischen Maschinen signifikant zu verbessern. Das Ziel besteht nicht nur darin, den Schalldruckpegel zu reduzieren sondern zusätzlich auch ein möglichst unauffälliges beziehungsweise angenehmes Geräusch zu erzielen, weshalb das menschliche Wahrnehmungsvermögen in die Betrachtungen mit einbezogen wird. Für die Entwicklungen werden sowohl modernste kommerzielle Simulationsmethoden sowie eigene Softwareerweiterungen eingesetzt als auch umfangreiche experimentelle Untersuchungen und Hörversuche genutzt. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Schwingungsanalysen mittels Laservibrometrie im stehenden und rotierenden System (Derotatormessungen), Messungen des Schalldrucks mit Fernfeldmikrofonen sowie Messungen mit Mikrofonarrays (akustische Kamera) in einer schallarmen Kammer. Das Ziel der experimentellen Untersuchungen besteht darin, einerseits die Simulationsmodelle zu validieren und andererseits den Mehrwert der erarbeiteten Lösungen nachzuweisen. Neben der Akustik steht der Leichtbau im Fokus. Die zu erarbeitenden Konzepte sollen sowohl akustisch unauffällig sein als auch eine minimale Masse besitzen.
Dabei werden unter anderem alternative Materialien (Al-Schaumstrukturen, Metamaterialien, GFK, CFK), innovative Dämpfungsstrategien, neuartige Konstruktionsdesigns (z.B. additive Fertigung), sowie die Einbeziehung von Anbauteilen (z.B. Getriebe) im Sinne zusätzlicher Anregungsquellen untersucht. Um sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität trotz der ergriffenen Leichtbaumaßnahmen gewährleistet ist, werden Spannungsanalysen und Festigkeitsberechnungen durchgeführt. Diese beinhalten sowohl statische als auch dynamische Lastfälle. Die dynamischen Spannungsanalysen sind zwingend erforderlich, um den wirkenden Trägheitskräften infolge der zeitlich stark veränderlichen Vorgänge sowie den impulshaften Anregungen während typischer Betriebsszenarien Rechnung zu tragen.

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Kettentriebe werden in Ottomotoren vielfach zum Antrieb von Nockenwellen, Ausgleichswellen oder Pumpen eingesetzt. Sie sind im Motorbetrieb komplexen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, welche zu Verschleiß zwischen Bolzen und Lasche in einzelnen Kettengliedern und damit insgesamt zu einer Längung der Kette führen. Diese Längung kann ab einer bestimmten Ausprägung nicht mehr vom verwendeten Spannsystem ausgeglichen werden. Als Folge davon treten unliebsame Geräusche wie Heulen oder Rasseln auf, und es kann in Extremfällen auch zu Motorschäden kommen, z.B. beim Überspringen der Kette über einzelne Zähne oder bei Kettenrissen. Aktuell vorliegende Verschleißprobleme machen deutlich, dass im realen Kundenbetrieb Verschleißmechanismen auftreten, die bisher in der Auslegung nicht abgebildet werden.
Es ist daher Ziel des Projektes, ein physikalisch motiviertes Verschleißmodell für Kettentriebe zu erstellen, mit dem eine verbesserte Aussage über die Lebensdauer eines Kettentriebes im realen Kundenbetrieb möglich ist. Das Modell soll grundsätzlich auf den relevanten physikalischen Parametern des tribologischen Systems (z.B. Geometrie, Oberflächenkennwerte, Härte, Eigenspannungen etc.) basieren, zum anderen aber auch den Einfluss wesentlicher Randbedingungen im Motorbetrieb wie Fahrprofil und Ölqualität (z. B. Viskosität, Säure- oder Rußgehalt etc.) abbilden. Mit solch einem Modell sollen Verschleißgeschwindigkeiten für den Kettentrieb in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors ermittelt werden können.
Im Projekt wird der Kettenverschleiß mit Hilfe eines dynamisches Kontaktproblems zwischen Bolzen und Lasche unter wechselnden Schmierungsrandbedingungen betrachtet, wobei erschwerend hinzu kommt, dass sich die Kontaktpartner Bolzen und Lasche durch den Umlauf der Kette um die Kettenräder unter einer periodisch schwankenden Normalkraft (Trumkraft) permanent in einem bestimmten Winkelbereich gegeneinander verdrehen. Die physikalische Modellbildung führt zu einem komplexen zeitabhängigen nichtlinearen Differentialgleichungssystem, das nur numerisch unter Nutzung der FEM (Finite-Element-Methode) gelöst werden kann. Erforderliche Eingangsparameter für die Berechnungen müssen dabei experimentell ermittelt werden [1]. Die zeitlich veränderlichen Belastungen der Bolzen-Hülse-Verbindung während eines Kettenumlaufs werden mit Hilfe von Mehrkörpersimulationen gewonnen. Besondere Überlegungen und Entwicklungen waren erforderlich, um (a) zu einem physikalisch begründeten Verschleißmodell zu gelangen, (b) das sich daraus ergebende nichtlineare Kontaktproblem zwischen Hülse und Bolzen geeignet zu beschreiben [2]-[6], © ein ausreichend genaues, jedoch von der Elementanzahl her reduziertes 3D-FEM-Modell zu entwickeln sowie (d) durch eine geeignete Extrapolation die extremen Rechenzeiten für die Zeitablaufrechnung auf ein akzeptables Maß zu begrenzen ohne die Ergebnisgenauigkeit wesentlich zu verschlechtern. Nur durch diese Entwicklungen war es beispielsweise möglich, den Kettenverschleiß nach einer Motorlaufzeit von 50.000 km zu berechnen. Der numerisch berechnete Kettenverschleiß wird mit Ergebnissen bewertet, die durch Messungen an realen Fahrzeugketten aus Kundenfahrzeugen gewonnen wurden. Die ersten Simulationsergebnisse zeigen, dass es mit der für die Verschleißberechnung entwickelten neuen Methodik möglich ist, realistische Vorhersagen des Kettenverschleißes zu gewinnen [7].

[1] Tandler, R., Bohn. N., Gabbert, U., Woschke, E.: Analytical wear model and its application for the wear simulation in automotive bush chain drive systems, Wear, Volumes 446-447, 15 April 2020, 203193, https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203193.
[2] Tandler, R., Bohn, N., Gabbert, U., Woschke, E.: Experimental investigation of the internal friction in automitive bush chain drives systems, Tribology International, Vol. 140 (2019), Article 105871, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105871.
[3] Gabbert, U.: Berücksichtigung von Zwangsbedingungen in der FEM mittels Penalty-Funktions-Methode, Technische Mechanik 4, 1983, Heft 2, S.40-46.
[4] Buczkowski,R., Kleiber,M., Gabbert,U.: On linear and higher order standard finite elements for 3D-nonlinear contact problems. Computers and Structures Vol. 53 (1994), No. 4, pp.817-823.
[5] Gabbert, U., Graeff-Weinberg, K.: Eine pNh-Elementformulierung für die Kontaktanalyse. ZAMM 74 (1994), 4, pp. 195-197.
[6] Buczkowski, R., Gabbert, U.: Finite-Elemente-Formulierung des 3D-Kontaktproblems unter Berücksichtigung eines verfestigenden Reibungsgesetzes. ZAMM Vol. 76, 1996, Supplement 5, pp. 81-83.
[7] Weinberg, K., Gabbert, U.: An adaptive pNh-technique for global-local finite element analysis. Engineering Computations: Int. J. Comp.-Aided Engng and Software, Vol. 19 No. 5, 2002, pp. 485-500.

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In recent years, as a result of rapid development in the fields of aerospace, optics, telecommunication, etc., demands for ultraprecision devices have been ever-increasing. A practical solution to achieve ultraprecision devices is to integrate piezo actuators and sensors  into the structure and to develope a methodology for control the accuracy of the device. Piezo materials belong to a class of so called smart materials that are capable of changing their physical properties, such as the shape, in response to an externally applied stimulus. In comparison with traditional electric motors, the smart material-based actuators have the advantages of lightness, low noise levels, low power requirements and high reliability. Therefore, they are widely used in applications of micro/nano-robots, micro-manipulation and micro/nano positioning stage. However, their characteristics (nonlinearities, badly damped vibrations, etc.) require the use of advanced control techniques. In addition to these characteristics, the particularity of working at the micro/nano-scale makes their  control even more challenging.

The current research work is control of multiple piezoelectric actuators (PEAs) in Fabry-Perot spectrometer (FPS).  The FPS can provide multispectral mappings for research on atmospheric science and planetary mineralogy, such as measuring the Earth’s O2-A band, aerosol, surface albedo, and pressure. The developed FPS uses three PEAs to provide spectral tuning of the desired optical signal transmittance by selecting the gap spacing of a tuneable optical filter. The PEAs are required to be controlled at nanometer steps with high accuracy.

One challenge we are currently working on at OVGU is the implementation of the inverse compensator for the Preisach model in F-P system. If the Preisach model is utilized to describe the hysteresis effect, it requires at least more than 10K elementary relay operators. The inverse compensator is built based on the model, which also needs more than 10K relay operators. Therefore, it causes the implementation problem when implementing the inverse compensator. To overcome this problem, we applied the model order reduction approach to reduce the number of  the relay operators in the Preisach model. In our current work, we have successfully used 200 relay operators to describe the hysteresis effect and at the same time to preserve the model accuracy. This work has been published in IEEE Transactions on Industrial Electronics (Impact factor: 7.168).  The next step will be applying the proposed approach to construct the inverse compensator for the three PEAs in the F-P system.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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Der Forschungsschwerpunkt COmpetence in MObility (COMO), einem Verbundprojekt im
Forschungs- und Transferschwerpunkt Automotive der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, befasst sich im weitesten Sinne mit der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen, unter anderem der Energiebereitstellung, der Energiewandlung und der Antriebstechnik sowie mit grundlegend neuen Fragen im Zusammenhang mit der Elektromobilität.

In dem Projekt "Seriennahes PKW-Antriebssystem mit Radnabenmotor, Teilprojekt "Akustik" geht es um die Verbesserung der akustischen Eigenschaften von in der Entwicklung befindlichen Radnabenmotoren. Das Ziel ist es, den Motor im Betriebszustand akustisch unauffällig zu gestalten. Als Grundlage für die akustische Optimierung wird ein ganzheitlicher Modellansatz verfolgt, mit dem das Schwingungsverhalten des Radnabenmotors bei unterschiedlichen Betriebszuständen und die sich daraus ergebende Schallabstrahlung berechnet werden können. Mit einem solchen ganzheitlichen Modell, das zukünftig neben den mechanischen und akustischen Feldern auch die thermischen und elektrischen Einflüsse umfassen soll, erfolgt die akustische Optimierung des Rades mit Radnabenmotor. Grundlagen dazu wurden in einem Vorgängerprojekt für die Motorenakustik entwickelt und erfolgreich experimentell erprobt.

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Das Gesamtziel des Vorhabens besteht darin, eine Methodenplattform für den Aluminiumguss zu entwickeln und zu erproben, mit deren Hilfe erstmals ganzheitlich sowohl der technologische Prozess als auch die Bauteile optimal gestaltet werden können, so dass ein minimales Bauteilgewicht erreicht wird und gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Lebensdauer, Dynamik, Temperatur etc.), der Kosten und der gießtechnischen Randbedingungen erfüllt werden. Die Erprobung der Methodenplattform erfolgt unter Nutzung realer Druckgussbauteile von PKW-Komponenten.
In dem Teilprojekt "Porenmorphologie und Bauteilfestigkeit" geht es darum, den Einfluss von realen Poren auf die Festigkeit und die Lebensdauer zu ermitteln. Dazu wird die Finite-Poren-Methode (FPM) mit der Computertomographie (CT) gekoppelt, so dass die Poren in Form von STL-Daten erfasst werden können. Neben der Nutzung von CT-Daten lassen sich künstlich erzeugte virtuelle Poren sowie Poren aus Gießsimulationen bei der Bauteiloptmierung berücksichtigen. Damit ist es in Zukunft möglich, im Rahmen von Polyoptmierungen auch gießtechnische Kriterien bei der Entwicklung optimaler, im Aluminiumdruckguss hergestellter Leichtbauteile zu berücksichtigen.

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Aus Komfortsicht spielt die akustische Wahrnehmung von Fahrzeugen eine entscheidende Rolle, gleichzeitig werden die erlaubten Schallpegel immer strenger vom Gesetzgeber geregelt. Eine optimierte Verteilung der akustischen Maßnahmen ist daher notwendig, um die geforderten Ansprüche zu erfüllen. Die Vorhersage der akustischen Wirkung in den frühen virtuellen Entwicklungsphasen würde es erlauben, einen besseren Kompromiss mit den Gewicht-, Raum- und Kostenbegrenzungen zu erzielen. Die Unterstützung dieses Auslegungsprozesses mithilfe eines simulativen Ansatzes zur Abbildung der Schallübertragung ist daher das Ziel des Promotionsprojekts. Mit Fokus auf dem Vorderwagenbereich werden die relevanten Schallübertragungsmechanismen identifiziert und es wird untersucht, wie diese jeweils charakterisiert werden sollten. Dazu dient die Erstellung von einfachen Modellen, die das Verständnis von den auftretenden Übertragungsphänomenen, sowie den Vergleich zwischen Mess- und Simulationsergebnissen ermöglicht.  Darauf basierend werden die Phänomene gekoppelt und die entstehenden Zusammenspiele betrachtet. Ein weiteres Ziel stellt die Integration von simulativen Teilmodellen in der Wirkkette eines gemessenen Fahrzeuggesamtmodells dar.

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Das Projekt zielt auf die Entwicklung von Methoden des Virtual Engineering (VE) für die ganzheitliche rechnergestützte Entwicklung eines Produktes. Das reicht von der rechnergestützten 3D-Konstruktion über die Berechnung und Simulation des Produktverhaltens bis hin zu seiner realitätsgetreuen Darstellung. Damit können nicht nur die Entwicklungszeit- und kosten verringert werden, es lässt sich auch die Produktqualität noch im Entstehungsprozess steigern. Geometrie- und Simulationsmodelle sowie Ergebnisdaten bilden die Grundlage für Entscheidungen über die Gestaltung des Produkts. Komplexe Zusammenhänge können leichter erkannt und Probleme schneller identifiziert und korrigiert werden, wenn eine Visualisierung in geeigneter Weise erfolgt. Eine auf die Interessen der Nutzergruppe zugeschnittene, übersichtliche Präsentation der Daten ist hierfür Voraussetzung. Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften des Produkts liefern eine Vielzahl an physikalischen Ergebnisgrößen. Es liegen beispielsweise Modelle und Ergebnisdaten aus den Bereichen der Strukturmechanik, der Strömungsmechanik oder der Akustik vor. Aufgrund der unterschiedlichen Struktur und der Eigenschaften dieser Daten müssen die Konzepte für die Visualisierung entsprechend angepasst sein. Im Projekt werden Methoden zur Darstellung dieser nicht geometrischen Modelldaten entwickelt. Die multiphysikalischen Ergebnisdaten werden auf ihren Informationsgehalt und die daraus resultierenden Anforderungen an geeignete Visualisierungsmöglichkeiten untersucht.

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The two years research project of Dr. Ryan Orszulik, financially supported by an Alexander von Humboldt Fellowship, is carried out in collaboration with Prof. Gabbert from the Otto-von-Guericke University of Magdeburg, and Prof. Monner of the DLR Braunschweig. During the last decade piezoelectric actuators have drawn considerable attention from the research community.But the development of accurate nonlinear models, specially a rate-dependent one, that is valid over a range of operating conditions is still an open problem. The limiting effect of the actuators performance is due to the asymmetrical and rate-dependent nature of the hysteresis effect. In the focus of the research project is the development of a nonlinear controller for the actuator, that can guarantee stability of the system in the presence of the hysteresis nonlinearity, is still necessary for highly precise positioning of the actuator over a large bandwidth.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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In der Industrie sind Komposite von großer Wichtigkeit. Der Einsatz solcher heterogenen Werkstoffe für industrielle Produkte ist in den letzten Jahren rasant angestiegen. Daher besteht ein sehr großes Interesse darin, diese Materialien und ihr physikalisches Verhalten besser zu verstehen. Um dies zu erreichen, können neben der Durchführung von experimentellen Untersuchungen Homogenisierungsverfahren genutzt werden. Diese Verfahren dienen dazu, den Kompositwerkstoffe unter Berücksichtigung der mikroskopisch heterogenen Struktur in einer makroskopisch homogenen Weise zu charakterisieren. Unter bestimmten Annahmen lassen sich sogenannte effektive Kompositeigenschaften berechnen.

Der Schwerpunkt des Projektes liegt auf der Weiterentwicklung von numerischen Homogenisierungsverfahren, welche auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basieren. Diese werden zum Berechnen der effektiven Materialeigenschaften von unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit einer periodischen Faseranordnung verwendet. In den entwickelten numerischen Berechnungsmodellen werden Einheitszellen (RUCs) verwendet, deren Querschnitt auch parallelogrammförmig sein kann. Der Vorteil dieser Modelle besteht darin, dass mit ihnen ein breites Spektrum an unidirektionalen Faserverbundwerkstoffen mit unterschiedlicher Faserverteilung simuliert werden kann. Die Berechnungsmodelle werden im Projekt auch auf einen imperfekten Phasenübergang erweitert, welcher sich als sehr dünne Verbindungsschicht zwischen der Matrix- und Faserphase interpretieren lässt. Die Ausprägung einer solchen Zwischenschicht kann zum Beispiel auf chemische Reaktionen im Herstellungsprozess zurückgeführt werden. Neben rein elastischen Betrachtungen werden auch Modelle entwickelt, mit denen piezoelektrische Faserverbundwerkstoffe simuliert werden können.

Das Projekt trägt zu einem besseren Verständnis des Materialverhaltens von Kompositen sowie der Modellierungstechniken bei.

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Im Teilprojekt TP3 werden numerische Methoden zur Simulation der Ausbreitung von Ultraschallwellen/Lambwellen in luftfahrttypischen Leichtbaustrukturen mit einem heterogenen Materialaufbau, wie z.B. Sandwichstrukturen mit einem Waben- oder Schaumkern, entwickelt und experimentel erprobt. Für die experimentelle Erprobung wird ein 3D-Laser-Scanning-Vibrometer eingesetzt. Das TP3 soll klären, wie sich Ultraschallwellen in heterogenen Strukturen ausbreiten, wie die Wellen mit inneren Grenzflächen und Schäden, z.B. Ablösen der Deckschichten, Schädigung der Kernschicht infolge eines Impacts, interagieren und wie ein optimales Schadensüberwachungssysten zweckmäßig zu gestalten ist. Da man für die Simulation der hochfrequenten Ultraschallwellen mit klassischen finiten Elementen mit linearen oder quadratischen Ansatzfunktionen wegen der erforderlichen Diskretisierung (kleine Wellenlängen!) an die Grenzen der heutigen Rechentechnik stößt, werden unterschiedliche Möglichkeiten zur effektiven Berechnung komplexer Strukturen entwickelt und untersucht. Dazu gehören:(a) Semi-Analytische Finite-Element-Methoden, (b) Kopplung analytischer und numerischer Methoden,
© Modellvereinfachungen,(d) Finite Elemente hoher Ansatzordnung (Spektrale FEM, p-FEM, NURBS-FEM), (e) Erweiterung der Finite-Cell-Method (FCM) auf die Ausbreitung von Ultraschallwellen.

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Eine Bewertung von Fahrzeuggeräuschen allein durch Messung physikalischer Größen erweist sich als nicht ausreichend, um zum Beispiel entscheiden zu können, ob ein Geräusch als wohlklingend oder störend empfunden wird. Die Wertigkeit eines Geräusches hat aber unmittelbar Einfluß auf die Kaufentscheidung von Kunden und sollte daher objektiv ermittelt und gezielt beeinflußt werden können. Das Ziel des Promotionsprojektes ist es daher, mit Hilfe von Methoden der Psychoakustik, ergänzt durch physikalische Meßgrößen, zur einer Objektivierung akustischer Zielgrößen zu gelangen. Aus der Beziehung zwischen physikalischen Schallereignissen und dem darauf beruhenden menschlichen Empfinden resultieren psychoakustische Größen, die im Rahmen des Promotionsprojektes detailliert untersucht werden. Der Schwerpunkt des Projektes liegt auf der objektiven Bewertung von singulären, impulshaften Geräuschen, wie sie beispielsweise beim Entriegeln von Fahrzeugtüren entstehen.

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AP1: Ansaugmodul: In dem Arbeitspaket wird ein neues Ansaugmodul für einen Range Extender entwickelt, gefertigt und experimentell erprobt. Das Ansaugmodul soll deutlich weniger Wärme vom Zylinderkopf aufnehmen und die Luftmasse im Zylinder erhöhen. Die hierbei zu bearbeitende Teilaufgabe besteht darin, das Ansaugmodul so zu gestalten, daß die Schallabstrahlung so gering wie möglich ausfällt. 
AP2: Abgasnachbehandlungssystem: Das Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, ein Neukonzept für die Abgasnachbehandlung zu entwickeln, zu erproben und zu optimieren, so daß die Leistungs-, Akustik- und Emissionskriterien optimal erfüllt werden. 
AP3: Ölwanne: Das Ziel des Arbeitspaketes ist die Entwicklung, Fertigung und Erprobung einer neuartigen leichten Ölwanne für einen Range Extender. Der Schwerpunkt des Teilprojekts liegt auf der Entwicklung einer nach thermischen und akustischen Kriterien optimierten Leichtbaustruktur. Für die Berechnung und optimale Auslegung kommt die Finite-Element-Methode zum Einsatz. Als Leichtbaumaterial werden zunächst Sandwichstrukturen aus AL-Schaum benutzt.

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Der Forschungsschwerpunkt COMO – COmpetence in MObility, einem Verbundprojekt im
Forschungs- und Transferschwerpunkt Automotive der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, befaßt sich im weitesten Sinne mit der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen, unter anderem der Energiebereitstellung, der Energiewandlung und der Antriebstechnik sowie grundlegend neuen Fragen im Zusammenhang mit der Elektromobilität. Das Teilprojekt Range Extender widmet sich der effizienten Energiewandlung für eine ausreichende Reichweite. Im Fokus des Forschungs- und Entwicklungsprojektes steht die Frage nach dem „optimalen“ Range Extender.Im Teilprojekt R3: Range-Extender – Akustik soll durch die Entwicklung aktiver und passiver Maßnahmen zur Schall- und Schwingungsdämpfung sichergestellt werden, daß das durch den Elektroantrieb erreichte sehr niedrige Geräusch- und Schwingungsniveau erhalten bleibt. Ein Weg, der unter anderem aktuell verfolgt wird, besteht darin, die thermischen und akustischen Zielvorgaben des Range-Extender-Betriebes durch eine thermo-akustisch optimierte intelligente Kapselung zu erreichen, die sich zusätzlich durch ein minimales Gewicht und einen geringen Bauraum auszeichnen soll. Die angestrebte Gewichtsreduktion soll einerseits durch Strukturoptimierungen und andererseits durch die Nutzung neuartiger Strukturkonzepte (z.B. Al-Schaumsandwiches & Kunststoffe) erreicht werden.

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Eine CO2-Reduktion von Motoren erfordert unter anderem eine Effizienzsteigerung im Antriebsstrang und im Verbrennungsmotor.  Unter anderem muß der Anteil der Motorreibung und hier insbesondere des  Kolben-Zylinder-Systems am Kraftstoffverbraucherreicht reduziert werden. Im Fokus der Promotionsprojektes steht daher die Reduktion der Motorreibung und damit die Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren. Es soll untersucht werden, wie sich die vorhandenen Zylinderverformungen auf die Motorfunktion auswirken (Reibung, Blow-by, Ölverbrauch) und was die relevanten Formanteile und Effekte sind. Darüber hinaus soll mit Hilfe geeigneter numerischer Modelle unter Nutzung von Optimierungsmethoden untersucht werden, welches Potential eine Reduktion der Verzüge (Montageverzüge, warmstatische Verzüge) auf den Kraftstoffverbrauch hätte.

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Das Promotionsprojektes soll einen Beitrag zur genaueren Analyse von Materialeigenschaften von Kompositstrukturen zu leisten. Komposite haben gegenüber den traditionellen (homogenen) Materialien (Stahl, Aluminium uvm.) die Eigenschaft, dass  sie je nach Anwendungsgebiet infolge der Mehrphasigkeit physikalische Eigenschaften verstärken bzw. verringern (Gewichtsreduzierung, Steifigkeitserhöhung). Zudem ist man in der Lage, diese Eigenschaften durch gezielte Phasenanordnungen innerhalb der Kompositstruktur (unidirektionale Faserverbundstoffe, Laminate) orientierungsabhängig zu verändern. Aufgrund dieser Merkmale werden diese Materialien vor allem für Leichtbauanwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Automobilbau, dem Schienenfahrzegbau, der Energietechnik (Windräder) und anderen Indsutriezweigen zunehmend eingesetzt. Daher ist es von großer Bedeutung, die physikalischen Materialgrößen möglichst genau zu kennen, wozu experimentelle und auch numerische Methoden genutzt werden können. Im Promotionsprojekt sollen die die Materialeigenschaften mittels des numerischen Verfahrens der finiten Elemente (FEM) berechnet werden (virtuelles Prüflabor). Aufgrund der komplexen Geometrie wird ein mikroskopischer Ausschnitt ausgewählt, der für die Kompositbeschreibung repräsentativ ist. Unter Verwendung von Homogenisierungsalgorithmen werden anhand eines solchen repräsentativen Volumenelementes (RVE) makroskopisch homogene Steifigkeitseigenschaften abgeleitet, wozu das RVE speziellen Verformungsbedingungen unterworfen wird. Eine wichtige Bedeutung im physikalischen Modell, speziell bei der Betrachtung von Kompositen, hat der Kontaktbereich der Materialphasen. Stetigkeits- bzw. Unstetigkeitsübergänge von physikalischen Größen auf mikroskopischer Ebene können das Verhalten des Komposits (Zwei-Phasen-Komposit) auf Makroebene entscheidend verändern. Des Weiteren kann es infolge von Herstellungsprozessen dazu kommen, dass sich zwischen den Hauptphasen eine dünne Zwischenphase bildet, die das Gesamtverhalten des Komposits wesentlich beeinflussen kann. Die Berücksichtigung derartiger Phasenübergänge ist ebenfalls Teil des Promotionsprojektes.

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Die zunehmende Anwendung virtueller Methoden in der Produktentwicklung erfordert eine enge Verknüpfung von Berechnungsmethoden mit Methoden zur interaktiven und möglichst auch echtzeitfähigen graphischen Repräsentation der Ergebnisse. Wünschenswert wäre eine direkte Interaktion in Echtzeit mit den Modellen. Dadurch würde es in der virtuellen Realität beispielsweise möglich, in der virtuellen Szene Parameteränderungen vorzunehmen und deren Auswirkung unmittelbar darstellen zu können. Im Promotionsprojekt werden neue Möglichkeiten für die Integration, Darstellung und Exploration von Modell- und Ergebnisdaten in der Virtuellen Realität entwickelt, um die Auswertungsqualität zu steigern und den Auswertungsprozeß zu beschleunigen. Eine Einbettung und Kombination verschiedener Berechnungssysteme kann genutzt werden, um aufwendige numerische Simulationen gezielt zu unterstützen. Unter Nutzung einer VR-Umgebung soll es möglich werden, die berechneten Simulationsdaten kombiniert mit der Visualisierung individueller Analysestrategien für den Aufbau einer virtuellen Szene zu nutzen, wobei es vorteilhaft ist, zusätzliches Wissen über das hinterlegte Simulationsmodell zu integrieren. Ein solches erweitertes virtuelles Modell bietet sehr gute Möglichkeiten für einen echtzeitfähigen interaktiven Eingriff in das  Modell, wodurch beispielsweise Optimierungsaufgaben sehr effizient gelöst werden könnten.

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Das Ziel des interdisziplinären Projektes ist die Anwendung von virtuellen Methoden zur ganzheitliche Entwicklung und Optimierung von E-Fahrzeugen. Das vom Lehrstuhl für Numerische Mechanik bearbeitete Teilprojekt hat die hybride Modellierung, Simulation (numerische und analytische Verfahren) und die ganzheitlichen Präsentation unterschiedlichster physikalischer Felder in der Virtuellen Realität (VR) zum Ziel. Gegenwärtig wird an der Übertragung multiphysikalischer Daten aus Finite-Element-Analysen (mechanische Spannungen, Verformungen, Temperaturen, Geschwindigkeiten, Schalldrücke, Magnetfelder, elektrischer Felder u.ä.)  in die virtuelle Realität gearbeitet.

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Durch den Einsatz von multifunktionalen Materialien, wie z.B. piezoelektrischen Keramiken, lassen sich intelligente Leichtbaustrukturen entwickeln, die die Fähigkeit besitzen, sich selbständig an wechselnde Betriebsbedingungen und äußere Einflüsse anzupassen, um so das Schwingungs- und Abstrahlverhalten in einem positiven Sinne zu beeinflussen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer numerischen Berechnungsmethode zur effektiven Auslegung und vollständigen Simulation intelligenter Leichtbaustrukturen unter Einbeziehung der elektromechanischen und vibroakustischen Kopplung. Dafür sollen FE-basierte Modellierungsansätze, die das Verhalten passiver Grundstrukturen, piezoelektrischer Energiewandler sowie umgebender akustischer Innen- und Außenräume beschreiben, im Rahmen eines gekoppelten Gesamtsystems verknüpft werden. Der Schwerpunkt des Forschungsprojektes liegt dabei auf der numerischen Abbildung unendlich ausgedehnter Fluidbereiche. Zu diesem Zweck sollen die Eigenschaften der Perfectly Matched Layer-Verfahren bei der Freifeldmodellierung, im Hinblick auf die Einbeziehung von Regelungsmethoden untersucht und weiterentwickelt werden. Um die Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeiten der Perfectly Matched Layer-Verfahren bei der modellbasierten Reglerauslegung zu analysieren, wird das elektromechanisch-akustisch gekoppelte Gesamtmodell der Regelstrecke so aufbereitet, dass es als Subsystem in die mathematische Beschreibung des Regelkreises eingeht. Auf diese Weise entsteht ein allgemeingültiger Ansatz mit dem sich sowohl Feedback-Regelungen als auch Feedforward-Steuerungen in effizienter Form simulieren lassen.

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Das Ziel des Teilprojektes 3 des Verbundprojektes ist die Modellierung und Analyse der Lambwellengenerierung in piezokeramischen Aktuatorarrays, der Ein- und Weiterleitung der Lambwellen Wellen in die ungeschädigte Faserverbundstruktur sowie des Empfangs der Lambwellen in piezokeramischen Sensorarrays. Dabei sollen Methoden entwickelt und erprobt werden, mit denen eine optimale Gestaltung derartiger Health-Monitoring-Systems erfolgen und die Signalauswertung unterstützt werden kann.

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Geführten Ultraschallwellen in dünnen Faserverbundstrukturen - derartige Wellen nennt man nach ihrem Entdecker Horaz Lamb auch Lambwellen - breiten sich über größere Entfernungen aus und interagieren wegen ihrer geringen Wellenlängen auch mit kleinen Strukturschäden. Derartige Wellen lassen sich daher vorteilhaft für die Strukturüberwachung (englisch: structural health monitoring, abgekürzt SHM) einsetzen. Um die Ausbreitung derartiger hochfrequenter Wellen berechnen zu können, benötigt man eine extrem große Anzahl von konventionellen linearen finiten Elementen (mindestens 20 Elemente pro Wellenlänge) im Rahmen einer expliziten Zeitintegration, so daß  man mit derartigen Berechnungen für reale Strukturbauteile schnell an die Leistungsgrenzen der heutigen Rechentechnik stößt. Deshalb liegt der Schwerpunkt des Dissertationsprojektes auf der Entwicklung und der Untersuchung verschiedener höherwertiger finiter Elemente (Polynomgrad  p ≥ 3). Im einzelnen sind das p-Elemente auf Basis der normierten Integralen der Legendre Polynomen, Spektralelemente auf der Basis von Lagrange Polynomen sowie isogeometrische finite Elemente basierend auf nicht-uniformen rationalen B-Splines (NURBS).

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The dissertation project is aimed to a Lamb wave based structural health monitoring of sandwich structures with a cellular core layer. Such structures are frequently used as lightweight structures in many applications due to their high strength and stiffness behavior. Because of their complex build-up the understanding of Lamb wave generation and propagation is much more difficult than in the case of conventional composite structures. In the project the finite element method is applied to analyze the Lamb wave propagation at different frequency ranges and in sandwich panels with different build-ups to better understand the details of wave propagation. Different modeling approaches are applied, compared and evaluated, such as the application of a homogenized core layer in connection with a 3D finite element model of the cover layers, or the application of a discrete modeling of the core layer (honeycomb, foam) with shell type finite elements, where the cover layers are again modeled with 3D finite elements, etc. The objective of the project is to develop an effective modeling approach which can be used to design SHM systems for sandwich types of structure with different core materials.

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Im Mittelpunkt des Projektes steht Modellierung der Lambwellenausbreitung in dünnen, aus mehreren orthotropen Schichten bestehende Faserverbundstrukturen. Die Wellen sind dispersiv und werden durch die Mikrostruktur (Faser- und Lagenaufbau) und Strukturschäden beeinflusst, wodurch Modekonversionen und Wellenreflektionen verursacht werden. Zur Modellierung der Wellenausbreitung werden analytische und numerische Methoden entwickelt, getestet und bewertet.

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Mit dem Projekt wird ein interdisziplinärer wissenschaftlicher Beitrag zur Weiterentwicklung von numerischen und experimentellen Methoden der Mechanik zur Schwingungs- und Geräuschreduktion von PKW-Komponenten (Motoren, Karosserie, Einbauteile) geleistet. Der Fokus des Projektes liegt auf aktiven Maßnahmen zur Reduktion der Schallabstrahlung von flächigen Komponenten, wie z.B. der Ölwanne.
Projektpartner sind Prof. H. Tschöke und Prof. R. Kasper vom Institut für Mobile Systeme der OvGU.

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Ziel des interdisziplinären Projektes ist die Entwicklung von durchgängigen Modellierungskonzepten zur Simulation komplexer mechatronischer Systeme aus dem Bereich Automotive unter Einbeziehung von VE und VR Techniken. Projektpartner sind Dr. U. Schmucker als Projektkoordinator vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) Magdeburg, Prof. R. Kasper vom Institut für Mobile Systeme der OvGU Magdeburg sowie Prof. G. Saake vom Institut für Technische und Betriebliche Informationssysteme der OvGU Magdeburg.

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Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Methoden und Verfahren, mit denen aus CAD-Daten sowie aus Simulationsergebnissen eine Visualisierung und Interaktion im Rahmen der VR (virtuelle Realität) möglich ist. Ein Schwerpunkt ist die Aufbereitung und Visualisierung nichtgeometrischer Daten für den Nutzer. Das Teilprojekt befaßt sich zunächst mit der Übertragung multiphysikalischer Daten aus Finite-Element-Analysen (mechanische Spannungen, Verformungen, Temperaturen, Geschwindigkeiten, Schalldrücke, Magnetfelder, elektrischer Felder u.ä.)  in die virtuelle Realität.

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Das Ziel des Dissertationsprojektes ist die Entwicklung eines semi-analytischen Verfahrens (SAFE) zur Simulation der Lambwellenausbreitung in Faserverbundstrukturen sowie die Berechnung von Dispersionsdiagrammen Reflektions- und Transmissionskoeffizienten.

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Es wird das Aufwickeln von dünnen mehrlagigen Folien mittel FEM simuliert.

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Das Teilprojekt leistet einen Beitrag zur Entwicklung von kostengünstigen Hohlprofilen aus Faserverbundmaterial für die Massenproduktion. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Anwendung von numerischen Methoden (Finite-Element-Methode) für einen zuverlässigen und sicheren Entwurf der Hohlprofile. .

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Das Ziel des Projektes ist es, gemeinsam mit dem industriellen Projektpartner SYMACON eine optimale metallische Endverbindung für Glasfaserstäbe der Firma Polystal zu entwickeln. Neben experimentellen Methoden werden begleitende Simulationen unter Nutzung der Finite-Element-Methode (Abaqus) genutzt, um zu einer optimalen Gestaltung der Verbindungelemente zu gelangen.

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Das Ziel des Forschungsverbundes aus universitären und industriellen Partnern ist die Entwicklung eines VR basierten Operationssimulators für die laparoskopische Chirurgie. Mit dem Projekt sollen die Voraussetzungen für die Entwicklung und Anwendung interaktiver, digitaler Visualisierungs- und Simulationstechniken im medizinischen Bereich zur besseren Behandlung von Patienten geschaffen werden. Der Schwerpunkt des Teilprojektes des Lehrstuhls für Numerische Mechanik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg liegt auf der Entwicklung echtzeitfähiger Organmodelle, die das Verhalten beim operativen Eingriff im virtuellen Raum realitätsnah abbilden.

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Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung numerischer Berechnungsmodelle für die Simulation des Verformungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffschläuchen und Hohlprofilen. Die Modellentwicklungen basiert auf der Finite-Element-Methode. Die theoretischen Arbeiten werden begleitet durch experimentelle Untersuchungen zum Materialverhalten, zum globalen Verformungsverhalten und zur Verifikation der Berechnungsmodelle. Für die Entwicklung von Materialmodellen werden Homogenisierungsmethoden auf der Grundlage von repräsentativen Volumenmodellen (RVE) eingesetzt.

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Neue Hochleistungsverbundwerkstoffsystem eröffnen interessante neue Möglichkeiten für die Gestaltung extrem leichter und dabei hochfester Bauteile und Tragwerke. Allerdings erfordert die Ausweitung des Einsatzes derartiger Materialien auf neue Anwendungsbereiche im Maschinenbau, in der Fördertechnik, in der Robotertechnik, in der Medizintechnik usw. zuverlässige Richtlinien für den Entwurf und die Berechnung, die bisher nicht zur Verfügung stehen. Neben der Vielzahl unterschiedlicher Fasermaterialien und Harz-Härter-Systeme gibt es durch die Wahl des Lagenaufbaus und der Faserorientierungen einen großen Freiheitsgrad bei der Gestaltung derartiger Strukturbauteile, wodurch sich der Entwurf und die zuverlässige Dimensionierung als ungleich komplizierter darstellen als beispielsweise die Auslegung einer vergleichbaren metallischen Struktur. Ziel des Projektes ist es, einen Beitrag zur Entwicklung zuverlässiger Richtlinien für den Entwurf und die Berechnung neuer Hochleistungsverbundwerkstoffe aus glasfaserverstärkten Kunststoffen zu leisten, die durch diskrete Glasfaserliner, wie sie beispielsweise von der Firma Polystal produziert werden, verstärkt sind. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen für das Tragverhalten von Faserverbundstrukturen und die erforderlichen Berechnungsgrundlagen sollen untersucht werden, wobei auch das Schädigungsverhalten und die Entwicklung schadenstoleranter Strukturen in die Untersuchungen einbezogen werden sollen.

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Das Ziel des Projektes ist es, numerische Berechnungsmethoden zu entwickeln, die es unter Nutzung der Methode des repräsentativen Volumenelementes (RVE) und der Finite-Element-Methode weitgehend automatisch ermöglichen, homogenisierte Materialeigenschaften für faser- und partikelverstärkte Werkstoffsysteme zu gewinnen. Es wurden Homogenisierungsmethoden für piezoelektrische Langfasersysteme sowie für kurzfaser- und partikelverstärkte Kunststoffe entwickelt, wobei insbesondere Materialien mit zufällig verteilten Naturfasern und Hohlkugeln betrachtet wurden. Für die automatische Durchführung der Homogenisierung wurde eine Reihe von Softwaretools unter Nutzung von ANSYS entwickelt und erfolgreich getestet.

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Das Projekt zielt auf die Anwendung der Finite-Element-Methode (FEM) für die Modellierung und Berechnung dünnwandiger Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen mit applizierten piezoelektrischen Patchen als Aktoren und Sensoren für die Formkontrolle und die Schwingungsdämpfung. Dünnwandige Strukturen reagieren empfindlich auf äußeren Störungen, wobei häufig große elastische Verformungen verursacht und die Grenzen der Theorie kleiner Verformungen überschritten werden. Das wesentliche Ziel des Projektes ist es, eine neues finites Schalenelement zu entwickeln, das den Einfluß moderat großer Verformungen (von Karman Theorie) auf das aktive und passive Verhalten adaptiver Strukturen bei statischen und dynamischen Anwendungen berücksichtigt.

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Das Ziel des Kooperationsprojektes mit der Siemens AG ist es, einen Beitrag zur Entwicklung von Entwurfsmethoden für die aktive Schwings- and Lärmreduktion von technischen Sytemen zu leisten, die sich durch eine ausreichende Robustheit und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Die Forschungsarbeit erfolgt in enger Verbindung von theoretischer Entwicklung und experimenteller Erprobung.

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Im Rahmen des Forschungsprojektes erfolgt die Entwicklung einer Optimierungssoftware auf der Grundlage von Evolutionsstrategien zur optimalen Auslegung von mechanischen Strukturen, die aus Materialien mit Mikrostruktur bestehen. Das Ziel besteht darin, Designparameter auf der Mikroebene (Materialsystem) so zu verändern, daß auf der Makroebene (Struktur) ein gewünschtes optimales Verhalten erreicht wird. Die Wahl der Designparameter und der Zielfunktion soll weitgehend problemunabhängig erfolgen können. Ein dafür geeigneter schneller Algorithmus läßt sich unter Nutzung der Methode des repräsentativen Volumenelementes entwickeln. Grundlage der Optimierung ist die Finite-Element-Methode, die für die numerische Berechnung der Zielfunktion eingesetzt wird.

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Das Ziel des Projektes besteht in der Entwicklung eines numerischen Verfahrens zum Entwurf und zur Simulation intelligenter Leichtbaustrukturen unter Einbeziehung vibroakustischer Kopplungen. Als aktive Materialien werden piezokeramische Patche auf die Struktur appliziert. Die Grundlage für den Entwurf ist ein virtuelles Gesamtmodell, das alle wesentlichen Teilkomponenten erfaßt. Dies sind die Struktur, die piezokeramischen Sensoren und Aktoren, das akustische Fluid (Unterscheidung zwischen innerem und äußerem Abstrahlproblem), die vibroakustische Kopplung und die Regelung. Für die Entwicklung eines derartigen virtuellen Gesamtmodells wird die Finite-Element-Methode benutzt. Die theoretische Lösungsansätze werden numerisch getestet und experimentell verifiziert.

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Als Basis einer Neuentwicklung ist ein geeignetes virtuelles Computermodell erforderlich, das neben der mechanischen Struktur zusätzlich auch die Aktoren, Sensoren und die Regler umfassen muß. Unter Nutzung der Finite-Element-Methode lassen sich geeignete virtuelle Modelle entwickeln. Auf der Basis derartiger Modelle wurden optimale LQ-Regler mit zusätzlicher Dynamik entwickelt und getestet. Existiert ein Prototyp, kann ein Modell mittels der experimentellen Systemidentifikation gewonnen werden. Alternativ lassen sich auch adaptive Reglerkonzepte nutzen. Die Anwendung und Testung der Reglerkonzepte erfolgte an Hand einfacher Teststrukturen sowie an der trichterförmigen Schalenstruktur eines Kernspintomographen mittels einer "Hardware-in-the-Loop" Realisierung unter Nutzung von dSPACE.

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Um das Verformungsverhalten von Kunststoffschläuchen, die durch Gewebeeinlagen verstärkt sind, berechnen zu können, wurde ein erster Ansatz für die Modellbildung entwickelt. Für den Kunststoff wurde ein Mooney-Rivlin-Materialmodell identifiziert und die Gewebeeinlagen wurden durch ein anisotropes Materialmodell beschrieben. Die Materialparameter wurden sowohl experimentell gewonnen als auch mit Hilfe eines geeignet gewählten RVE (repräsentatives Volumenelement) auf numerischem Wege durch Homogenisierung ermittelt.

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Das untersuchte Bauteil besteht aus einem Kunststoff-Verbundmaterial mit angefügten Befestigungselementen zur Integration in ein übergeordnetes Objekt und zur Aufnahme von weiteren Anbauteilen. Aufgrund des komplizierten geometrischen und werkstoffseitigen Aufbaus sind derartige Verbundbauteile besonders sensibel hinsichtlich ihres dynamischen und akustischen Verhaltens. Als Grundlage für die Entwicklung und die spätere Verifikation von Simulationsmodellen zur numerischen Analyse wurde das dynamischen Verhalten zunächst mit Hilfe der experimentellen Modalanalyse untersucht und dabei das Eigenschwingverhalten und das Verhalten bei verschiedenen Anregungen mit Hilfe moderner Laservibrometer-Messtechnik aufgenommen und ausgewertet.

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Das untersuchte komplexe Bauteil besteht aus einem Kunststoff-Verbundmaterial mit angefügten Befestigungselementen zur Integration in ein übergeordnetes Objekt und zur Aufnahme von weiteren Anbauteilen. Aufgrund des komplizierten geometrischen und werkstoffseitigen Aufbaus sind derartige Verbundbauteile besonders sensibel hinsichtlich ihres dynamischen und akustischen Verhaltens. Im Rahmen des Projektes wurde ein komplexes numerisches Modell (Finite-Element-Modell) hinsichtlich seiner Eignung für die Schwingungsberechnung untersucht. Vor besonderer Bedeutung war dabei die Einbeziehung realistischer Materialparameter und hier insbesonderte die Berücksichtigung der Dämpfungseigenschaften.

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Die Erfindung betrifft die Integration und die ganzheitliche regelungstechnische Verknüpfung unterschiedlicher sowohl lokal als auch global wirkender Aktoren zum hochgenauen Positionieren, Halten oder Unterstützen von Objekten. Die Erfindung zielt insbesondere auf die Schwingungsreduktion und die Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit von hochpräzisen, magnetgelagerten Werkzeugmaschinen ab.

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Die wesentlichen wissenschaftlichen und technischen Ergebnisse des Teilvorhabens "Modellierung" des BMBF-Leitprojektes ADAPTRONIK sind:

• Entwicklung neuer numerischer Methoden auf der Basis der FEM zur ganzheitlichen Simulation von adaptiven geregelten Verbundstrukturen mit strukturkonform integrierten Faser und Folien,
• Koppelung von Finite-Element-Analyse (FEA-Software COSAR) und Regelung (Matlab/Simulink),
• Entwicklung von neuen Optimierungsmethoden für die Vorausberechnung der Form, der Anzahl und des Ortes der Plazierung von piezoelektrischen Sensoren und Aktoren unter Einbeziehung der Regelung,
• Anwendung der entwickelten Softwaretools für den optimalen Entwurf industrieller Prototypen: (i) adaptives Dachblech eines VW-Bora, (i) Trichter eines Siemens MRT, (iii) Leichtbauzylinder aus Kohlefaser und (iv) vieler weiterer Teststrukturen.

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Das Ziel des Projektes "Modellierung, Berechnung und Optimierung von adaptiven Systemen - dem Teilprojekt MBO des Innovationskollegs ADAMES - bestand darin, neue Methoden für den Entwurf und die ganzheitliche Simulation adaptiver Systeme zu entwickeln und zu erproben. Es wurden wissenschaftliche Beiträge zu folgenden Themengebieten geleistet:

• Finite-Element-Analyse von elektro-thermo-mechanischen adaptiven Strukturen
• Entwicklung von neuen finiten Multilayer-Schalenelementen
• Einbeziehung der Regelung in die Finite-Element-Analyse
• Nichtlineare Modelle für piezoelektrische Materialien
• Diskret-kontinuierliche Optimierung zur Aktor/Sensorplazierung
• Modellbildungen an Demonstratorstrukturen ( z.B. CFK-Zylinder mit piezoelektrischen Aktoren)

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