CHAIR OF

COMPUTATIONAL

MECHANICS

The Modular Peristaltic Surface Conveyor (MPSC) is an entirely new device that conceptually enables the separation and sorting of flexible small packages (polybags) for the first time, providing an alternative to costly manual processing. For the first time, alongside the development of the actual MPSC, an AI-based Digital Twin (DT) is to be developed, which, based on AI-optimized simulation models, will allow predictions of system behavior and automated parameterization of the actuators and sensor data processing.

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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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The aim of the project is to research ways of optimizing the fluid dynamic treatment of intracranial aneurysms in order to shorten the occlusion time, reduce the need for follow-up treatment and eliminate the risk of ruptures. To this end, novel neurovascular implants with improved flow-modelling properties are to be developed (target values: locally reduced porosity, optimized adaptability to the anatomy). Possible individualized solutions include the further development of braided structures or the use of novel polymer nonwovens on the support structure. On the other hand, "intelligent" software tools are being developed that enable improved planning and implantation based on virtual catheter guidance through complex 3D vessel models of patients. Deformation states of both the catheter and the crimped implant are simulated on their way to the brain aneurysm. In addition, a blood flow simulation is carried out to assess the effectiveness (intra-aneurysmal thrombosis) of the implant. The results will be used to provide interventionalists with information on handling the implant before and during treatment. Such software enables targeted optimization of the implant properties, for example to achieve localization-dependent reductions in velocity and vertebral strength of up to 50 % compared to the untreated state.

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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. Furthermore, 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 also includes 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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The project is dedicated to the development of an efficient calculation method for solving three-dimensional vibroacoustic problems using porous insulation materials. The aim is to resolve the microstructure of the insulation material in order to overcome the current limitations of Biot's theory, which is often used and seems particularly unsuitable for modeling closed-cell foams. In order to enable the extremely complex geometry-resolved modeling we are aiming for, fictitious domain methods with higher-order approach functions are to be used. On the one hand, these can be applied very advantageously to voxel data and, on the other hand, a high efficiency for wave propagation problems can be expected.

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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 conveyor belts. In most cases, a phase separated, anisotropic blend morphology develops during the last processing steps (extrusion, calendering, injection molding), 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 modeling 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 modeling 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 modeling 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 analyzed 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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The aim of the dissertation is the development and further development of finite element technologies in the field of mixed formulation. The focus here is on the displacement-compression-strain formulation (u/p/e), as it enables both the mastering of incompressible material behavior and increased accuracy in the calculation of stresses and strains.

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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.

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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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The aim of the project is a comprehensive investigation of elastomer pads that are used in a vehicle joint from Siemens Mobility GmbH. For this purpose, finite element analyses are carried out to qualitatively evaluate the deformation properties of the joint and in particular the installed elastomer pads. In addition, experimental investigations are to be carried out on the elastomer pads from Siemens Mobility GmbH in order to characterize the corresponding material properties more precisely. This will allow more precise correlations between material selection and structural properties to be determined in the FE analyses.

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The aim of the project is to develop a method for generating simple geometries of vessel models that contain only essential information that can be used for the subsequent reconstruction of simplified simulation models for the finite element and CFD methods.

The focus here is on the geometry compression and reconstruction of the inner vessel wall with the help of parameterized NURBS. The centerline of the vessel is represented by the NURBS. Other important parameters (such as the vessel diameter, the curvature of the vessel and also the vessel thickness) are stored parameterized at the individual support points of the NURBS. In this way, the geometry is reduced to the essentials, but contains the most important information for recovering the required 3D geometry of the vessel model in a reconstruction process. This geometry can then be used for a wide variety of software systems to carry out corresponding simulations. Furthermore, it is possible to vary the parameters as required in order to generate new realistic vessel models for comparative simulations.

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The eMobility Competence Center project addresses the structural challenges and develops solutions in key areas as part of a newly established competence center, which will significantly strengthen cooperation between SMEs and university research and teaching. The knowledge can be transferred directly to the affected supplier industry, where it can help to successfully manage structural change and exploit new economic opportunities. In addition to the primary objective of building up and transferring core know-how, the main focus is on the long-term anchoring of the knowledge gained in economic structures that create jobs.
Based on a multi-patented, globally unique lightweight engine concept developed by OVGU, the work in the DRIVE TRAIN research area focuses on the further development and prototypical presentation of the new engine technology, its integration into the drive train and its operation in accordance with given safety and comfort requirements (driving dynamics). At the same time, there are further innovative steps in the area of basic research to increase the performance of the engine technology, which are to be developed and implemented in prototypes during this funding period.

Content of the AR4 sub-project:
The emitted noise is a central problem of all electrical machines. This is mainly due to the fact that the typical sound emission of an electric motor is very tonal and very high-frequency and is therefore, on the one hand, in the range of the auditory surface in which humans hear best and, on the other hand, is perceived as particularly annoying. For this reason, methods and solutions are to be developed as part of this sub-project in order to significantly improve the acoustic behavior of electric machines. The aim is not only to reduce the sound pressure level but also to achieve a noise that is as unobtrusive or pleasant as possible, which is why human perception is included in the considerations. State-of-the-art commercial simulation methods and proprietary software extensions are used for the developments, as well as extensive experimental studies and listening tests. The experimental investigations include vibration analyses using laser vibrometry in a stationary and rotating system (derotator measurements), sound pressure measurements with far-field microphones and measurements with microphone arrays (acoustic camera) in an anechoic chamber. The aim of the experimental investigations is to validate the simulation models on the one hand and to demonstrate the added value of the solutions developed on the other. In addition to acoustics, the focus is on lightweight construction. The concepts to be developed should be both acoustically inconspicuous and have a minimal mass.
Among other things, alternative materials (aluminum foam structures, metamaterials, GFRP, CFRP), innovative damping strategies, novel construction designs (e.g. additive manufacturing), as well as the inclusion of add-on parts (e.g. gearboxes) in terms of additional excitation sources are investigated. Stress analyses and strength calculations are carried out to ensure that structural integrity is guaranteed despite the lightweight construction measures taken. These include both static and dynamic load cases. The dynamic stress analyses are absolutely essential in order to take account of the inertial forces acting as a result of the highly variable processes over time and the impulsive excitations during typical operating scenarios.

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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 modeling 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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The aim of the BELUCCI project is to establish and validate a novel approach for the treatment of intracranial aneurysms with flow diverters, which includes individualized and simulation-based planning, implant selection/manufacturing and consultation based on patient-specific anatomical selection parameters. The project aims to develop a standardized individualization process in order to provide each patient with the optimal implant for the individual aneurysm and thus substantially improve the efficacy and safety of the procedure. The approach will be clinically evaluated as part of the project using patient-specific aneurysm models. In the sub-project at IFME, a computer-aided design tool for the numerical investigation and design of individualized flow diverters is being developed.

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The Meisterbock is primarily used for new vehicle start-ups as a means of measuring and analyzing exterior components. These include sheet metal add-on parts such as fenders, doors, front and tailgates and side panels. In order to evaluate and qualify these components and their interaction in the installed state, each part is mounted on the master jig and aligned with repeat accuracy using the standardized reference point system (RPS). The aim of this project is to optimize this qualification process through the use of numerical simulation using the finite element method (FEM) in order to reduce the effort required for physical assembly and thus increase efficiency.

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The aim of the project is a comprehensive parameter study as part of deformation analyses of a new type of high-performance adhesive tape. The main point here is the selection of a suitable material model for the core and the adhesive layers. In subsequent FE analyses of the face tensile test, the material parameters and layer thicknesses are varied in order to assess its influence on the overall behavior both qualitatively and quantitatively.

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Fracture under thermomechanical load is a complex failure pattern that has serious consequences in materials and components. The prediction of fracture behavior through crack initiation and propagation in metals using numerical methods has become increasingly important in technical applications. The classical theories of fracture mechanics only include the criteria for crack propagation, but cannot be used to predict crack initiation. Furthermore, no statements can be made about curved cracks or crack branching. Over the past ten years, the phase field method has been transferred and further developed to describe crack formation and propagation. This method offers a powerful and flexible framework for investigating the fracture behavior of materials under arbitrarily complex thermomechanical loads. By defining an additional degree of freedom, the so-called order parameter, the crack description is carried out in the model. The heat conduction equation can also be included, for example if thermal stresses dominate the crack propagation. Both slow and sudden heating can be considered here. Analogous to the crack analysis, the temperature field is treated as an additional degree of freedom. The resulting equations can be solved using the finite element method. The aim of this doctoral thesis is to develop a model that can describe the mathematical relationship between thermomechanical loads and crack initiation and propagation at high temperatures. The starting point of the multiphysical model is formed by the constitutive equations of thermoelastoplasticity, which are solved using the phase field method. The degrees of freedom of the model include the displacement, the temperature and the phase field for the crack description.

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Elastomer diaphragms are used as flat diaphragms in oscillating pumps or for pressure-actuated short-stroke actuators and control elements. Compared to metal diaphragms, elastomer diaphragms are very soft and flexible. Fabrics are often inserted into the elastomer to make elastomer diaphragms stronger and more resistant. The diaphragms are often exposed to a large number of complex and highly stressed switching cycles and must have optimum service life properties due to their important function.

Due to the complexity of elastomer membranes, it is hardly possible to reliably estimate the mechanical and service life properties based on empirical values alone. The aim of this project is to use the finite element method (FEM) to develop a simulation tool that can be used for the realistic deformation and service life analysis of fabric-reinforced elastomer membranes.

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The modeling of phase fields and size effects in solids, such as the width of shear bands or the grain size dependence of the plastic flow in poly-crystals, need to be based on non-standard continuum approaches which incorporate length-scales.
With the ongoing trend of miniaturization and nanotechnology, the predictive modeling of these effects play an increasingly important role.
The mixed multi-field representation of gradient-type problems is a recently introduced thermomechanically consistent framework for modeling such kind of phenomena. The key idea is to extend the field of constitutive state variables by micromechanical independents and further to derive the macro and micro balance equations in a closed form.

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For several years now, the cause of death statistics in Germany have been dominated by cardiovascular diseases. According to the Federal Statistical Office, these were responsible for around 39% of all deaths in 2015. These include strokes, which can be caused by a subarachnoid hemorrhage. This is when blood enters the subarachnoid space surrounding the brain. These bleedings are mainly caused by the rupture of cerebral aneurysms. These are balloon-like dilatations of arterial blood vessels that develop in approx. 2-6% of the Western population in the course of their lives. Approximately 10 out of 100,000 people per year experience a rupture.
Various measures are intended to prevent such a rupture. Surgical (clipping) or endovascular (coiling, balloon angioplasty, stenting, placement of flow diverters or WEB devices) interventions are used to reduce the blood flow into the aneurysm. This is aimed at the formation of thrombi, which cause a natural occlusion of the vessel. These measures are neither risk-free nor necessarily successful. This motivates the development of new procedures and the continuous improvement of established ones.
The aim of the project is to develop a stent with a novel mode of action for therapeutic deformation of the carrier vessels of intracranial aneurysms. As a result of the targeted guidance of the blood flow, more favorable hemodynamics are achieved and the blood inflow into the aneurysm interior is reduced. This in turn increases the dwell time of the blood in the aneurysm and promotes natural thrombosis, which closes the aneurysm.
This is a completely new concept in a) the treatment method and b) the necessary stent design. For this reason, the simulative methods are to be developed within this framework in order to determine the expected individual effectiveness of this concept.

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FE simulations of a newly designed impact protection coupling under mechanical and thermal loads are being carried out as part of the project. This coupling consists of a modified shaft-hub connection that is to be used to transmit a constant maximum torque over several cycles.
For this purpose, validation simulations are to be implemented using the finite element method (FEM) for a simplified test setup. This axial test setup consists of two identical test specimens that are axially loaded with a contact force on a circular ring surface and then twisted against each other.
Extensive material and system characteristics as well as the practical boundary conditions are taken into account in order to enable an appropriate comparison between existing experiments and FE simulations. In addition, parameter studies are subsequently carried out in order to understand their influence on the system response. These parameters include, for example, the layer thickness and the friction coefficient. In addition to varying the contact pressure, simulations under changing temperatures are also taken into account.

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Cardiovascular diseases are the main cause of death in Western countries today. There are various treatment methods for such pathologies, but the trend of the future is percutaneous minimally invasive therapy. Here, high-tech endoprostheses are inserted into the pathological area via an endoluminal path. One of the best-known families of such implants are vascular stents. They are characterized by their complex geometry and non-trivial material properties. The safe use of these stents requires continuous technological improvement in terms of material, design and operating conditions in order to achieve safe implantation, efficient drug release and optimal long-term behavior. In addition, the concept of predictive medicine, i.e. the prediction of alternative treatment methods for individual patients, is becoming increasingly important, which is not possible without robust and cost-efficient simulation methods.
This project aims to contribute to the efficient simulation of the deformation behavior of carotid stents in the carotid artery. The long-term goal is the real-time simulation of stent behavior during synchronous surgery on humans, so that various processes can be tested virtually shortly before real placement and optimally performed with regard to the individual patient.

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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 behavior 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 behavior and crack resistance.

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In this project, an in-depth investigation of the service life of technical rubber materials under multi-axis loading conditions and, in particular, under shear with rotating axes is being carried out.

In addition to experimental investigations, a theoretical concept for predicting service life is already being developed in the early phase of the project which, based on shearing with rotating axes, can cover a much wider range than previous conventional concepts.

The concept is to be validated by means of further targeted tests for double-sided shear, shear with rotating axes and under single-sided shear and tension. The load amplitude will also be varied.

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The aim of the project funded by the Luxembourg Research Foundation (FNR) is the numerical investigation of the efficiency of special elastomer materials with regard to their rolling resistance properties. The so-called dynamic flocculation model (DFM) is being used and further developed for this purpose. This physically motivated material model can realistically represent the inelastic material behavior of filled elastomers under cyclic load history (e.g. Mullins effect and stress-strain hysteresis) in a large strain range. The extension of the material model to time- and temperature-dependent phenomena enables a more accurate representation of the dissipative properties of the material under dynamic loads, as they occur in rolling tires. Finally, the material model is used to establish a correlation between the dissipation that occurs and the rolling resistance, which can be used for the targeted selection of materials for tire treads.

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Double-sided adhesive tapes are characterized by their viscoelastic and particularly good adhesive properties on a variety of substrates. They are either a multi-layer system consisting of a thin adhesive layer on the top and underside applied to an inner backing layer, or a single material is used that serves as both the adhesive layer and the backing material.
In this research project, a simulation tool is being developed that enables a better estimation of the application limits, taking into account the complex material characteristics, such as strong non-linearity and viscoelasticity of the material. With the help of this tool, the model parameters regarding material variation, time-dependent changes in the external boundary conditions and long-term behavior can be easily adapted and realistic predictions can be made about the complex structural behavior of single and multi-layer high-performance adhesive tapes.

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The quality and informative value of FEM simulations of technical components is limited by the suitability of both the material laws used and the assigned material parameters.
 
A material model suitable for industrial application is not necessarily the most accurate and complete simulation of real material behavior. Rather, the practical suitability of a material law requires a balanced compromise between problem-specific requirements regarding the scope, accuracy and combination of properties of the material description on the one hand and economic restrictions regarding the required computer capacities and calculation times on the other.

In most cases, the corresponding material parameters are adjusted using homogeneous tests on laboratory test specimens. However, technical components and associated laboratory test specimens usually have very different geometries and are also often manufactured in different ways. In many cases, this causes serious deviations in material behavior. Component simulations with material laws that have been adapted to measurements on such test specimens are therefore prone to errors from the outset.

The core objective of the research project is the realization of a computer program suitable for industrial use for the identification of material law parameters, which enables the efficient use of measurement data from tests on test specimens close to components with inhomogeneously distributed stresses and distortions. In this way, the above-mentioned disadvantages of the restriction to homogeneous reference measurements are avoided, and the possibility is opened up to take into account specific characteristics of product groups and loading processes when adapting the material laws. The inevitable increase in computing times associated with this approach is of secondary importance given the performance of today's standard computers, provided that the potential of efficient algorithms and clever programming is fully exploited.

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As part of this project, a well-founded investigation of the deformation behavior of a rolling lobe bellows under realistic load conditions is being carried out. During installation and operation, the rolling lobe undergoes large deformations, which can lead to complex contact conditions, among other things. Under operating conditions, this can lead to undesired early failure of the rolling lobe. Since the rolling lobe consists of filled elastomer, an extended material model must be used that can map the inelastic properties (such as material softening, permanent elongation and loading and unloading hysteresis).

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This project, funded by the German Rubber Society (DKG), aims to increase the development potential of rubber components whose function is largely dependent on friction properties. To this end, the understanding of friction processes involving a rubber surface is to be improved on the basis of computer simulations. In particular, the significance of adhesive force components is to be reassessed and researched in detail in connection with compliant contact surface roughness. For the simulations, a model of a representative section of a contact pairing with realistic surface roughness will be created. Under contact pressure, the increase in the effective contact area due to deformation of the roughness is to be observed. A load tangential to the contact surface is then simulated. In both phases, the force components from elastic deformation, adhesion and dissipative effects are balanced.

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The institute has developed a material model to describe the mechanical behavior of foamed elastomers. This model can realistically depict the extremely complex material behavior of foamed elastomers under any mechanical stress. A functional relationship between the mechanical properties and the pore content is taken into account using a homogenization approach. The material model has so far been developed for quasi-static loading conditions, i.e. time- and frequency-dependent properties of both the elastomer matrix and the pore structure cannot yet be modeled. The aim of this project is to extend the model with regard to the time-dependent properties that can occur in particular under high-frequency loads due to the spontaneous pressure build-up within the pore structure. The model will also be implemented in a suitable finite element program so that it can be used for the FE simulation of more complex, multi-dimensional load conditions.

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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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The prediction of damage behaviour and residual strength as part of a damage tolerance assessment is crucial for the design, evaluation and approval of safety-relevant lightweight structures. For fibre-reinforced composites (FRP), sufficiently precise and robust methods for evaluating progressive damage have been lacking to date. The main challenge for analysing FRP structures in comparison to metallic materials is the heterogeneity of FRPs, which leads to complex failure mechanisms. A simulation methodology for strength assessment must therefore be able to depict both the initiation and progression of damage, including all the mechanisms at work and their interaction.

The aim of the DFG project is to develop an improved damage analysis methodology for FRP. For this purpose, a new adaptive solution approach is proposed, which consists of a coupling of the peridynamics (PD) for potentially damaged model areas with the FEM for the undamaged areas. The aim of the project is to increase the prediction accuracy of the load-bearing behaviour and thus to develop more robust, safe and resource-efficient structures.
PD is a promising non-local method for describing damage and dynamic crack growth, especially in brittle materials. However, the computational effort is extremely high in order to achieve a sufficiently accurate description of the crack behaviour. In order to reduce the computational effort, peridynamics is only used in those parts of a structure in which cracks can potentially occur. The remaining structural areas are modelled using the classical finite element method (FEM). In the project, suitable methods for coupling the PD with the FEM are developed, tested and evaluated and used for crack propagation. Initial good results were achieved with the Arlequin Method, the Alternating Schwarz Method and the Splice Method. The Splice Method has provided the best test results and is characterised by comparatively simple coupling equations. The software developed in the project will be made freely available (open source software) in accordance with the DFG goal of "sustainability of research software" as part of the "e-Research Technologies" funding programme in order to enable further use by other researchers.

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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.

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The Research and Development (R&D) Project COmpetence in MObility (COMO), a joint research and transfer project of the key area Automotive of the Otto-von-Guericke-Universität of Magdeburg, Germany, deals with the electrification of automobiles, including the energy supply, the energy conversion and the power train engineering as well as general problems in connection with the electro-mobility.
The project "Near-Series Drive System for Automobiles with Wheel Hub Motor, Subproject Acoustics" focuses on the improvement of the acoustics of wheel hub motors which are developed in the project. The main aim of the project is the creation of an electric wheel hub motor with an acoustic optimized behavior.As basis of the design process an overall modeling approach is developed, which is able to simulate the noise radiation of the wheel at different operation conditions. Besides the mechanical and the acoustical field such a model has also be able take into account the thermal and the electrical influences. As basis of the project experiences of previous project can be used, where an overall model for simulating the acoustic behavior of engines has been developed and successfully testet.

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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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From a comfort point of view, the acoustic perception of cars plays a decisive role; at the same time, the permitted sound levels are increasingly strictly regulated. An optimal distribution of the acoustic treatments becomes therefore necessary, so that the demanded requirements are met. The prediction of the acoustic effect in the early, virtual development stages would enable to reach a better compromise with the weight, room and costs constraints. The support of this design process using simulative approaches to describe the sound transmission is hence the goal of the doctoral project. Focusing on the front-end area of a car, the main sound transmission mechanisms will be identified and it will be investigated, how each of them should be characterized. For this purpose serves the creation of simple models that allow the understanding of the appearing phenomena, as well as the comparison between measurements and simulative results. Based on this, the phenomena will be later coupled and the resulting interactions will be considered. Another objective is the integration of simulative partial models in the chain of effects of a measured complete car model.

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The project is aimed to the development of virtual engineering (VE) methods and comprises the holistic computational development of a product. This process is ranged from 3D-CAD modeling, via the computation and simulation of the product characteristics up to realistic representations. Not only does this lead to a reduction of development time and costs - the quality of a product can also be increased during this process of product engineering. Component geometry, simulation models and results of computations are a basis for decisions concerning the design of a product. If the visualizations are adapted in a suitable way, it is much easier to perceive complex relations for faster identification of problems. Thus, it is necessary to create a clear structured customized presentation of the focused data sets. Investigations concerning the mechanical properties of a product provide a multitude of multi-physical resulting data. Exemplarily, the models can specify the characteristics of the product in the domain of structural mechanics, acoustics or fluid mechanics. Due to the variety of the received data structure and characteristics, the concepts of visualization have to be adapted in a suitable way. Methods representing such non-geometrical model data are developed in the paper. The multi-physical resulting data is investigated for essential information to emphasize the demands for the visualization.

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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.

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Composites are of enormous importance to the industry. The usage of such materials for industrial

products has rapidly increased over the last years. Therefore, there is high interest
in gaining a better understanding of these materials and their physical behaviour. Aside
from performing experimental studies, this can also be achieved by using homogenisation
methods.
The objective of the project is to develop advanced numerical homogenisation methods
which are based on the finite element method (FEM). These methods are applicable to calculate the effective properties of unidirectional fibre reinforced composites with a periodic fibre distribution. In the developed numerical models repeated unit cells (RUCs) are used, whose cross sections can even be parallelogram shaped. The signicant advantage of these models, especially those with the parallelogram shaped cross section, is the capability to simulate a wide range of unidirectional bre reinforced composites with different fibre arrangements. This also includes the special cases of hexagonal and square fibre arrangements, which are commonly used in the literature. The numerical models are extended by employing an imperfect contact formulation between
the matrix and fibre phase to represent the presence of a very thin interphase, which is
for instance caused by chemical reactions in manufacturing processes.
The developed methods give a better insight into the material behaviour of composites as well as the modelling techniques.

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The project TP3 aims to develop computational methods for the simulation and analysis of guided Ultrasonic/Lamb wave propagation in typical aircraft lightweight structures, such as sandwich structures with a heterogeneous core layer (honeycomb, open foam, closed foam. For the experimental investigation of wave propagation a 3D-Laser-Scanning-Vibrometer is applied. The project TP3 aims to explain how ultrasonic guided waves propagate in such structures, how they interact with inner boundaries and failures, such as delamination between the core layer and the top layer due to impacts, damages of the core layer, and how to design an optimal structural health monitoring (SHM) system.  For the simulation of ultrasonic guided waves a very fine spatial and temporal resolution is required, which exceeds the computational possibilities of today s commercial FEA software packages, operating with classical linear or quadratic finite elements, different new methods for an effective analysis of wave propagation in complex structures have to be developed. Consequently, the objective of the aims to develop and to test (a) Semi-analytical finite element methods, (b) Coupling of analytical and computational approaches,
© Simplification of models,(d) Higher order finite elements (spectral FEM, p-FEM, NURBS-FEM), (e) Extension and application of the finite cell method (FCM) to wave propagation analysis.

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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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The objective of the subproject is the modelling and analysis of the of Lamb wave generation  in the piezoelektric actor array, the propagation of the Lamb waves through the structure (undamaged and damaged) and the receiving of the Lamb waves in the sensor array.  Methods are under progress to support an optimal design of such a structural health monitoring systems as well as the signal processing.

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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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[img]http://www.ttz.uni-magdeburg.de/fodb/bilder/uni_md_adames.jpg[/img]

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