Institut für Mechanik

Simulation additiv gefertigter Strukturen auf der Basis experimentell ermittelter Parameter (Teilprojekt OVGU): Am Institut für Werkstoffe, Technologien und Mechanik an der OVGU werden Computermodelle von zu fertigenden Strukturen erstellt. Der additive Fertigungsprozess wird mittels numerischer Methoden simuliert, hierbei werden insbesondere experimentell ermittelte Materialparameter und die intermediäre Kristallisationskinetik der verwendeten Polymere berücksichtigt, wobei letztere biobasiert und -abbaubar sind. In die Simulation gehen insbesondere die in Halle ermittelten mechanischen und rheologischen Parameter ein. Auf Simulationsergebnissen aufbauend werden
(1) die Konstruktion der Strukturen und
(2) die Parameter des Druckprozesses
angepasst. Die Bauteile erfüllen die mechanischen und geometrischen Anforderung von Spezialanwendungen.

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The idea of the project is to develop innovative approaches for purification of emissions of exhaust gas mixtures containing carbon dioxide and other greenhouse gases into the environment by means of separation effects caused by convective instability of the system, to conduct experiments with gas mixtures at different pressures and compositions in channels of different shapes, to conduct theoretical and numerical studies of combined mass transfer of components for model situations and to issue recommendations (composition of mixtures, thermophysical properties, partitioning of the gas mixtures, thermal and thermal properties of the gas mixtures, and other greenhouse gases).

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Die Ziele des Forschungsprojektes sind die Entwicklung vereinfachter anisotroper konstitutiver Beziehungen innerhalb der gekoppelten Verzerrungsgradientenelastizität, die Bestimmung entsprechender Skalenparameter, die Anwendung einer solchen Modellierung auf die Lösung einiger Randwertprobleme, bei denen die klassische Elastizität ihre Grenzen hat, und der Nachweis, dass diese Grenzen überwindet werden können. Im Einzelnen wird untersucht:
- Homogenisierungsprobleme, die den Größeneffekt berücksichtigen, werden betrachtet. Insbesondere werden Grenzwerte wie bei Voigt und Reuss und wie bei Hashin-Shtrikman für partikelförmige Verbundwerkstoffe unter Verwendung der Prinzipien des Minimums der potentiellen Energie und der komplementären Energie erhalten, effektive Eigenschaften von faserverstärkten und partikelförmigenVerbundwerkstoffen werden im Rahmen der gekoppelten anisotropen
Verzerrungsgradientenelastizität bewertet.
- Rissprobleme bei ebener Verzerrung, d.h. Rissprobleme mit Mode I, II und III, sowie Probleme
mit einem Riss am Rand werden untersucht.
- Probleme mit konzentrierten Kräften, insbesondere mit einer an der Oberflächebelasteten Halbebene, einer im Inneren und am freien Rand derPlatte aufgebrachten Kraft werden im Rahmen der Theorie analysiert.

Für alle Probleme wird der Einfluss des Kopplungsterms und der Anisotropie der Materialeigenschaften auf die Lösungen, die Abweichung der Lösungen von den Vorhersagen der klassischen Elastizität und von der ungekoppelten Verzerrungsgradientenelastizität untersucht. Die Ergebnisse werden im Kontext der in der Literatur verfügbaren Ergebnisse verglichen und
analysiert.

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Durch die Digitalisierung und die Energiewende hat der Bedarf und die Komplexität von elektronischen Bauteilen, wie Sensoren oder Steuergeräte, erheblich zugenommen. Bei der Übertragung von elektrischen Signalen und bei der elektrischen Kontaktierung wird in nahezu allen Wirtschaftszweigen als Basistechnologie das Drahtbonden eingesetzt. Wenn es hauptsächlich um die Übertragung elektrischer Leistungen geht, werden meist hochreine Aluminium-Dickdrähte mit Drahtdurchmessern zwischen 125 μm und 500 μm eingesetzt. Die Drähte verbinden durch sogenannte Drahtbrücken Substrate verschiedener Materialien miteinander, welche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Häufig sind die Drähte im Betrieb externen Temperaturschwankungen, sowie zyklischen Belastungen ausgesetzt, die in verschiebungsgesteuerten Ermüdungsbelastungen resultieren können. Dies kann zu Rissen in den Drähten und damit zu einem Komplettausfall des Bauteils führen. [1] Rein konstruktiv kann das Versagen der Drähte in hochbelasteten Komponenten aktuell noch nicht verhindert und auch nicht sicher vorhergesagt werden. Aus diesem Grund ist es das Ziel der vorliegenden Promotion, das reale Verhalten der Drähte unter Einbezug des anisotropen elastischplastischen Materialverhaltens mechanisch zu charakterisieren, numerisch zu beschreiben und das Einsatzverhalten vorherzusagen. Im Rahmen der Promotion wird eine mechanische Bewertung der Drähte anhand von Zug-, Druck- und Biegeversuchen durchgeführt. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden mit der Mikrostruktur der Drähte korreliert und es werden geeignete Materialmodelle für die numerische Beschreibung mittels Parameteroptimierung angepasst. Zusätzlich wird das Ermüdungsverhalten der Drähte untersucht und die Zuverlässigkeit von gebondeten Drahtbrücken unter Betriebsbedingungen mit stochastischen Modellierungen bewertet. Dabei wird auch der Einfluss der Temperatur und der Stromdichte auf die Drähte, wie auch ihre elektrische Leitfähigkeit betrachtet. Alle gewonnenen Kenntnisse und Modelle sollen später für die Entwicklung neuer Hochleistungslegierungen mit verbesserter Temperaturstabilität und besserer elektrischer Leitfähigkeit, sowie für die Entwicklung alternativer Drahtherstellungsrouten genutzt werden.

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Hochtemperaturbauteile, wie sie z.B. in Kraftwerken zu finden sind, müssen sowohl thermischen als auch mechanischen Beanspruchungen standhalten, wobei sich die Kombination dieser Prozesse negativ auf die Lebensdauer der Komponenten auswirken kann. Durch das Hoch- und Runterfahren der Anlagen treten außerdem zyklische Beanspruchungen auf, deren Simulation zu numerisch komplexen Zeitintegrationen mit kleinen Schrittweiten führt. Aus diesem Grund wurde das Materialverhalten bisher mit monotoner Belastung oder nur für wenige Zyklen simuliert, obwohl diese massgeblich für Ermüdungserscheinungen sein können. Der Mehr-Zeitskalen-Ansatz wird zur Modellierung von Plastizität, Schädigung und Ermüdung eingesetzt, mit der Grundidee, durch Entkopplung der Gleichungen separate Gleichungssysteme für die verschiedenen Zeitskalen zu schaffen und diese getrennt voneinander zu lösen. Dabei wird zwischen einer Zeitskala für die quasi-statische ("langsame") und einer für die hochfrequente ("schnelle", zyklische) Belastung unterschieden. Die Anwendung dessen in Kombination mit einem kalibrierten Materialmodell reduziert die Rechenzeit erheblich und bietet somit nicht nur die Möglichkeit, eine hohe Anzahl an Zyklen zu betrachten, sondern resultiert auch in einergenaueren Bestimmung und Optimierung der Lebensdauer.

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The demand for light-weight composites is increasing phenomenally especially in aviation, automotive and ship building sectors. As everyone addressed carbon footprints and global warming made by high fuel and energy consumptions and shifting towards specific tailor-made functionally performing materials. This need for light-weight materials is satisfied by honeycomb sandwich laminates as they have proven their advantages over conventional materials with specific weight to strength ratios. With advantage of thermoplastics in high volume production and processability, the sandwich laminates meet the industrial usage. In addition to that the flat semi-finished sandwich laminates are further processable to complex structures to meet different part geometries, with a novel thermoforming procedure by which the sandwich laminate is heated to a thermoforming temperature such that matrix material of face sheet lies above melting temperature and core material lies below melting temperature, then pressed to form into desired geometry. Currently, these materials are investigated for reproducibility in large mass scale owing to the current automation and digitalizing platforms with controlled heating and forming.

Using FEM tools, the manufacturing processes can be optimized by changing the process parameters and material configuration. For this a finite element model is developed considering material, geometry and boundary non-linearities, focused on complex honeycomb geometry and fiber-oriented UD-tapes at meso-scale level. Such developed model is tested for different material combinations, geometries and forming conditions. By this approach the probability of manufacturability of a component through specific technique can be investigated, which saves the material and time in the process of developing a new component. The difficulties in developing such complex model are many like core-face sheet interaction, honeycomb cell walls deformation behavior in melt zones and pre-deformed cell walls during lamination. All these cases will be investigated in this current project.

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Unter dem Begriff ,,Homogenisierungsmethoden” werden Methoden zusammengefasst, welche die effektiven Materialeigenschaften eines Materials mit Mikrostruktur aus der räumlichen Anordnung der Phasen und deren individueller Eigenschaften ermitteln. Voraussetzung hierfür ist ein hinreichender Skalenabstand. Die Fluktuationen der Felder auf Makroebene, z.B. aufgrund von Geometrievariationen und Randbedingungen, müssen auf sehr viel größeren Längenskalen stattfinden als die Fluktuationen in der Mikrostruktur. Ist dies der Fall, so lässt sich auf einer Mesoebene eine Materialprobe definieren, die groß genug ist, um einen repräsentativen Mikrostrukturausschnitt zu erfassen. Deren effektive Eigenschaften werden dann punktuell auf der Makroebene angewandt, weswegen die Materialprobe kleiner sein muss als die charakteristischen Geometrieabmessungen auf der Makroebene (Hashin, 1983). Bei der numerischen Homogenisierung werden die Eigenschaften der virtuellen Materialprobe in einem virtuellen Experiment bestimmt. Letztere wird als Repräsentatives Volumenelement (RVE) bezeichnet. Standardmässig werden periodisch fortsetzbare RVE mit periodischen Randbedinungen verwendet, auch bei stochastischen Mikrostrukturen. Die periodischen Randbedingungen imitieren die Einbettung des RVE in eine Umgebung mit identischem Materialverhalten.
In diesem Projekt sollen die folgenden Fragen beantwortet werden. Wie kann man möglichst genau auf die dreidimensionale Steifigkeit eines Materials mit Mikrostruktur schließen, wenn ausschließlich Experimente an dünnen Schichten und Fäden möglich sind? Ist es rein numerisch möglich, wenn die volle Information aller Felder in virtuellen Versuchen an dünnen Schichten zur Verfügung steht, möglichst exakt auf die effektiven Eigenschaften des dreidimensionalen Materials zu schließen? Lassen sich einfache Abschätzungen wie der bereits experimentell ermittelte Wert E_PP2D=E_PP3D ˜ 0.7 auf Materialklassen (Polymere) verallgemeinern, oder ist dieser Wert spezifisch für Polypropylen? Zur Beantwortung der ersten beiden Fragen sind die Entwicklung einer Homogenisierungstheorie für den dimensionalen Übergang erforderlich. Die dritte Frage kann nur experimentell durch die Messung von E_2D und E_3D an verschiedenen Materialien beantwortet werden. Wie gezeigt wurde, ist die lokale Querdehnung ein wichtiger Indikator für die Differenz zwischen E_2D und E_3D . Daher sollte zusätzlich zu den Nenngrößen im Zugversuch auch die lokale Querdehnung an dünnen Filmen gemessen werden.

Hashin, Z. (1983). ”Analysis of Composite Materials - A Survey". In: Journal of Applied Mechanics 50, S. 481-505.

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The influence of the environment (water, hydrogen etc.) can essentially limit the long-term strength of structural elements due to material degradation. In the case of contacting the different surfaces the deterioration of structural properties continues. The problem of corrosion and wear of machine-building structures has recently been in the focus of attention of researchers and engineers, however, the development of a computational method for estimating the interaction of high-temperature phenomena, such as creep and hidden damage accumulation, continues to be an urgent task. The problem consists in the significant variation of the stress-strain state during long term operation. The existing methods for calculating the strength of structures under the influence of corrosion and wear, as a rule, do not take into account these changes and the accumulation of damage, which can lead to incorrect life estimates.

Structural elements operating at high temperatures under the influence of aggressive media, on the one hand, are among the most expensive, and on the other hand, their failure can lead to environmental damage. This applies to gas turbines and gas turbine engines, automobiles, chemical production equipment etc. Failure and fracture of their structural elements lead to financial losses, is dangerous and unacceptable from the point of view of human safety.

Experimental methods for evaluating high-temperature deformation and fracture under the influence of aggressive media and contact interaction of various details are expensive and often quite hazardous to the health of personnel. That is why the development of a new approach and a numerical method for analyzing creep and damage accumulation in structures affected by corrosion and fretting wear is an important task both at the design stage as well as for the assessing the safe operation time of already operating equipment.

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Pulverbettbasiertes Laserstahlschmelzen hat sich bei der additiven Herstellung von metallischen Bauteilen etabliert. Das Bauteil entsteht schichtweise in dem jede Pulverschicht aufgeschmolzen und mit darunterliegenden Schicht verbunden wird. Aufgrund der hohen Designflexibilität wird die additive Fertigung in Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und vielen anderen Industriebereichen eingesetzt. In Anbetracht dessen sind die Kenntnisse der Materialeigenschaften, Ausrichtung des Materials und der daraus resultierenden Herausforderungen in der Fertigung von großer Bedeutung. Lokale Energieeinträge durch den Laser, hohe Abkühlraten der Schmelze und die Belichtungsstrategie führen zu der Richtungsabhängigkeit des Materials und Eigenspannungen in den Bauteilen. Die resultierenden Verzerrungen haben einen Einfluss auf die Fertigungsgenauigkeiten. Für diese sind spezielle Aussagen zum mechanischen und thermischen Verhalten während und nach dem Prozess notwendig. Dabei spielen Material und Materialeigenschaften, Temperatur während des Prozesses, Bauhöhe, Härte und andere Parameter eine Rolle.

Die Charakterisierung des thermomechanischen Verhaltens additiv gefertigter Komponenten steht im Mittelpunkt des Promotionsvorhabens. Ausgehend von einer kontinuumsmechanischen Modellbildung sollen Variantenrechnungen den Einfluss der verschiedenen Parameter aufzeigen. Zusätzlich soll eine Möglichkeit derVorhersage der Eigenschaften ausgehend aus bekannten Parameter untersucht werden.

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Eine etablierte Simulationsmethode zur Berücksichtigung des Risswachstums bzw. des Rissstopps ausgehend von einem bereits vorhandenen technischen Anriss unter thermomechanischer Belastung gibt es heute nicht. Das Ziel des Dissertationsvorhabens ist es einen weiteren wichtigen Schritt in der simulationsbasierten Auslegung von thermomechanisch hoch belasteten Komponenten voranzukommen und eine Simulationsmethodezu entwickeln, die eine verlässliche Aussage zur weiteren Entwicklung des technischen Anrisses zulässt und somit eine Bewertung der gesamten Lebensdauer ermöglicht.

Die Ausarbeitung erfolgt am Beispiel eines Zylinderkopfs bestehend aus einer Aluminiumgusslegierung. Das thermomechanische Ermüdungsrisswachstum hängt von zahlreichen unterschiedlichen Einflussfaktoren ab. Die Berücksichtigung des Risswachstums erfordert einerseits ein klares Verständnis der Einflussnahme und der Wechselwirkung der Einflussfaktoren und andererseits eine robuste und hinsichtlich Rechenzeit industriell anwendbare Einbindung der Methode in die gängige Praxis der Bauteilsimulation. Aus diesem Grund soll die Simulationsmethodik von Grund auf eigenständig zuerst mit der klassischen FEM und anschließend mit der XFEM entwickelt werden. Die Validierung erfolgt stufenweise in Versuchen mit unterschiedlichen Geometriekomplexitäten.

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Im Rahmen neuer Lösungsansätze zur Gestaltung der Mobilität der Zukunft haben sich insbesondere Elektrofahrzeuge hervorgetan, da diese einen wesentlichen Beitrag zum Umweltschutz und zur Emissionsvermeidung leisten können. Für den Aufbau der Traktionsmaschinen kommen Elektrobleche zum Einsatz, die zur Führung des magnetischen Flusses im Rotor bzw. Stator dienen. Die magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Elektrobleche sind hierbei entscheidend für die Effizienz und das Leistungsgewicht der elektrischen Maschine und unter-liegen hohen Anforderungen. Zudem führen geringe Blechdicken von etwa 0,25 mm und hohe Drehzahlen im dynamischen Betrieb zu hohen mechanischen Belastungen im Rotor.

Die zur Steuerung des magnetischen Flusses notwendigen Durchbrüche und Magnetschlitze werden im Allgemeinen durch Stanzen eingebracht. Sowohl die Ausprägung der Stanzkante als auch die im Fertigungsprozess aufgebrachten Spannungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften deutlich. Aufgrund der Grobkörnigkeit des Materials und der unbekannten Ausprägung der Stanzkante kann es zu einer starken Streuung der mechanischen Eigenschaften und damit der Bauteillebensdauer kommen.

Für die betriebsfeste Auslegung von Elektroblech ist es daher unerlässlich, die zyklischen Festigkeitseigenschaften von Elektroblech und deren Beeinflussung durch den Fertigungsprozess zu kennen. Durch die enge Zusammenarbeit von experimentell abgesicherten Werkstoffunter-suchungen und numerischer Simulation soll eine effiziente und sicherer Vorhersagemöglichkeit der Lebensdauer gestanzter Elektrobleche erarbeitet werden.

Das gemeinsame Promotionsvorhaben der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und der Technische Hochschule Ingolstadt fokussiert sich dabei auf den Bereich der Lebensdauerberechnung und Simulation von Elektroblech. Wesentliche Meilensteine stellen die Lebensdauerberechnung unter Annahme eines isotropen Materialverhaltens sowie unter Berücksichtigung örtlich variierenden Materialverhaltens in Abhängigkeit der Stanzkante dar. Abschließend soll die Mikrostruktur des Werkstoffs im Berechnungskonzept berücksichtigt und die Methoden experimentell validiert werden.

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Flächentragwerkstheorien für schlanke Strukturen gelten in Theorie und Technik als allgemein akzeptiert. In den Ingenieurwissenschaften hat sich das Fünf-Freiheitsgrad-Modell als besonders nützlich erwiesen. Damit werden Scheiben-, Biegungs- sowie Transversalschub-Effekte gleichermaßen beschrieben. Üblicherweise werden dabei alle Betrachtungen auf eine zweidimensionale Referenzfläche bezogen. Pavel Andreevich Zhilin schlug gegenüber klassischen Herleitungsstrategien für Flächentragwerkstheorien (Dimensionsreduktion durch analytische Dickenintegration zu vollständig zweidimensionalen Gleichungen) einen sogenannten direkten Ansatz vor, bei dem analog der Vorgehensweise in der klassischen Kontinuumsmechanik, alle Gleichungen von vornherein für ein zweidimensionales Kontinuum formuliert werden.

Nachdem das isotrope elastische Materialmodell bereits hinreichend untersucht wurde, sollen die theoretischen Grundlagen der Flächentragwerkstheorie mit Kinematik analog Mindlin (1951) ausgebaut werden. Dies betrifft

1. inelastisches Materialverhalten und
2. richtungsabhängige Materialeigenschaften.

Für die Erweiterung um Inelastizität soll anhand der klassischen Feststoffgesetze für Viskosität und Plastizität vorgegangen werden. Hier haben sich rheologische Modelle zur physikalischen Beschreibung und mathematischen Formulierung etabliert. Die größte Herausforderung besteht in der Beschreibung des Verhaltens in Normalenrichtung. Für das viskoelastische Verhalten gibt es bereits Resultate aus vorangegangenen Arbeiten des Autors. Bei Existenz einer direkten Formulierung für elastoplastisches Verhalten soll geprüft werden, inwiefern ein viskoplastisches Material darstellbar ist.

Für die Berücksichtigung der Anisotropie werden zunächst die klassischen acht Symmetriegruppen herangezogen, wobei bei orthogonaler Projektion auf Flächen Koinzidenzen gefunden werden können. Die allgemeine Projektion der Symmetrien eröffnet jedoch eine weitaus größere Vielfalt, als dass diese über klassische Herleitungen abbildbar sind. Statt sich auf spezielle Symmetrien zu beschränken, sollen die Steifigkeitstensoren auf spezielle Weise zerlegt und damit die Betrachtung beliebig anisotropen Verhaltens ermöglicht werden.

Zusätzliche Erweiterungsmöglichkeiten ergeben sich in Bezug auf Effekte, die aus Eigenspannungen, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeitseinflüssen resultieren.
Es findet eine Beschränkung auf geometrische Linearität statt. Bislang gibt es keinerlei physikalische Argumentation und mathematische Behandlung für derartige Erweiterungen direkt formulierter Theorien. Die Formulierungen werden komplett in Tensorschreibweise ausgearbeitet. Dies ermöglicht den direkten Vergleich der Gleichungsstrukturen mit der dreidimensionalen Kontinuumsmechanik.

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Due to the development of new designs and materials for engines and turbomachines, which are characterized by elevated operating temperatures, it is necessary to estimate the level of irreversible creep strains and the possibility of fracture. In contrast to the previously created general-purpose methods, calculation methods which currently are developed, are aimed at analyzing specific structural elements from specific steels.

The focus of the project is on development a method for calculating cyclic creep and long-term strength and numerical study of the behavior of structural elements operating under the combined action of thermal fields and loads.

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Die klassische Elastizitätstheorie ist fester Bestandteil des beruflichen Alltags von Berechnungsingenieuren und deren Ausbildung. Sie wurde zwischen dem Beginn des 19. Jh. und der Mitte des 20. Jh. auf ein festes theoretisches Fundament gestellt. Ihre Entwicklung kann als abgeschlossen angesehen werden. Allerdings ist ihr Anwendungsbereich begrenzt: Sie ist größeninsensitiv, beinhaltet bei Diskontinuitäten in den Randbedingungen Singularitäten in den Spannungen und den Verschiebungen, und kann keine Grenz- und Oberflächenenergien berücksichtigen. Damit ist sie auf typische Ingenieursanwendungen beschränkt. Zur Beschreibung von Mikro-Bauteilen oder von Phänomenen im µm- und nm - Bereich ist sie nur bedingt geeignet.

Eine natürliche Erweiterung der klassischen Elastizität ist die Gradientenelastizität, bei der höhere Ableitungen des Verschiebungsfeldes auftauchen. Es wurde in zahlreichen Arbeiten gezeigt, dass die Beschränkungen der klassischen Elastizitätstheorie mit der Gradientenerweiterung überwunden werden können, ohne dass die übliche Trennung zwischen Struktur- und Materialeigenschaften verwischt wird, wie es bei alternativen nichtlokalen Theorien der Fall ist. Leider ist es bisher nicht gelungen, für die Gradientenelastizität ein ähnlich solides Fundament zu entwickeln, wie es für die klassische Elastizitätstheorie existiert.

Dies ist keine rein akademisches Problem. Die zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen sowie die gezielte Entwicklung mikro-strukturierter Materialien erfordert es, über die klassische Elastizitätstheorie hinauszugehen. Des weiteren sind wir durch die Hebung der Singularitäten der klassischen Elastizität dazu in der Lage, eine Reihe von Kriterien (z.B. Bruch- und Fließkriterien), welche üblicherweise in den Cauchy-Spannungen formuliert sind, auch in der Nähe von Randdiskontinuitäten anzuwenden. Hierdurch vergrößert sich die Anwendbarkeit der Elastizitätstheorie deutlich.

Im diesem Projekt sollen die theoretischen Grundlagen der klassischen Elastizitätstheorie für die Gradientenelastizität ausgebaut werden. Hierfür wurde eine verallgemeinernde Axiomatik herausgearbeitet, welche zu ca. 2/3 bereits auf die Gradiententheorie übertragen wurde. Wir bemühen uns um eine Vervollständigung der Übertragung, was den Kern der Arbeit des deutschen Projektpartners bildet. Der russische Projektpartner ist mit der Anwendung befasst. Beispielsweise finden Eindeutigkeitssätze für Randwertprobleme mit reinen Verschiebungs- oder reinen Spannungsrandbediungungen in der Homogenisierung Anwendung. Mit ihnen kann beispielsweise die Eshelby-Grundlösung eines elliptischen Einschlusses in einer unendlichen Matrix ausgebaut werden. Eine weitere Anwendung sind transveralisotrope faserverstärkte Komposite, für welche sowohl ein Skalenübergang als auch die spezifischen Eigenschaften der Steifigkeitstensoren untersucht werden sollen. Schließlich soll das de Saint-Venantsche Prinzip für die Gradientenelastizität in Balkenversuche untersucht werden.

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Bei der additiven Fertigung von Bauteilen aus teilkristallinen Polymeren gilt es eine homogene Struktur ohne innere Grenzflächen zu realisieren, um Verzugseffekte zu vermeiden und mechanische Eigenschaften zu optimieren. Ein Ansatzpunkt ist dabei eine auf das Polymer abgestimmte Steuerung des 3D-Druck-Prozesses. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Wege aufzuzeigen, wie dies durch Kombination von Materialverständnis, verbesserter Prozesskontrolle und geeigneten Bauteil- und Prozess-Simulationen zu erreichen ist. Es wird erforscht, ob und wie es durch Abstimmung der Prozessparameter auf die Kristallisationskinetik des verwendeten Polymers gelingt, homogenere Bauteile mit besseren Eigenschaften herzustellen. Die Kristallisationskinetik verfügbarer Filamente wird im Detail quantifiziert, die Situation während des 3D-Drucks mittels Inline-Sensorik erfasst und der Einfluss von prozessbedingten Inhomogenitäten auf die Bauteileigenschaften wird durch Vergleich von Simulation und Experiment quantifiziert.

Dies ist ein Verbundprojekt mit der MLU Halle und dem Fraunhoferinstitut für Mikrostrukturen von Werkstoffen und Systemen. In diesem Teilprojekt wird eine Simulations-Toolchain für die Vorhersage der inhomogenen mechanischen Eigenschaften und den Verzug von im 3D-Druck hergestellten Bauteilen für die am häufigsten verwendeten Polymerfilamenten erarbeitet, welche an den Ergebnisse der experimentellen Befunde der Projektpartner kalibriert und verifiziert wird. Mit einem verlässlichen Simulationstool kann anschließend eine numerische Optimierung der simulativ abgebildeten Eigenschaften erfolgen.

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Die ESF-geförderte internationale OvGU-Graduiertenschule (OvGU-ESF-GS) MEMoRIAL dient der Ausbildung internationaler Promovierender in zwei besonders forschungsstarken ingenieurwissenschaftlichen Profillinien der Otto-von-Guericke-Universität (OvGU): dem Transfer-Forschungsschwerpunkt Medizintechnik (MT) der OVGU und der Materialwissenschaften. MEMoRIAL unterstützt mit seinem medizintechnischen Anteil das translationale und anwendungsorientierte Potential des Zentrums für Neurowissenschaften (CBBS) und mit seinem materialwissenschaftlichen Bereich die Transferschwerpunkte Erneuerbare Energien und Automotive sowie das Zentrum für Dynamische Systeme (CDS). Die Graduiertenschule umfasst 2 Module mit 22 Stipendiaten. Die Module, die Zuordnung der Anzahl der Stipendien und die durch sie unterstützten OvGU-Forschungsstrukturen und außeruniversitären Partner sind:

1. Medizintechnik (12 Stipendien)
2. Materialwissenschaften: Prozessierung, Mikrostruktur, Simulation (10 Stipendien)

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Das Ziel des Projekts besteht in der Entwicklung eines Materialmodells für die martensitische Stahllegierung X20CrMoV12-1 unter hohen Temperaturen. Zu diesem Zweck werden Warmzugversuche unter konstanter Dehnrate durchgeführt, wobei Temperatur und Dehnrate systematisch variiert werden. Diese Versuche liefern die Datenbasis zur Kalibrierung und Erweiterung eines bereits bestehenden mechanischen Modells, das den Werkstoff als Mixtur zweier Phasen beschreibt und den Einfluss mikrostruktureller Vorgänge, wie zum Beispiel Kornvergröberung, auf das makroskopische Materialverhalten berücksichtigt. Nach erfolgreicher Kalibrierung soll das Modell auf Ermüdungsvorgänge ausgedehnt werden.

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Die gegenwärtig verfügbaren Fertigungsverfahren für Armaturengehäuse und Dosiere basieren sich auf Verfahrenskombination Tiefziehen + Schweißen. Die massiven Flansche und Anschlüsse werden an gezogenen Böden/Trichter angeschweißt und mechanisch nachgearbeitet. Für konventionelle Fertigung vom Boden und Trichter sind teuren bauteilabhängigen Ziehwerkzeuge und kräftige Pressen erforderlich. Das Inkrementelles Blechumformen ermöglicht die flexible Herstellung komplexer Bauteile mit geringen Kosten. Mit der Entwicklung neues Umformverfahrens Drücktreiben soll die Fertigung von 3D-geformten Bauteile mit variablem Blechdicke aus einer Flachronde ohne bauteilbezogenen Werkzeuge möglich sein. Es sollen die Prozesse aus Massiv-Umformverfahren bei Blechwerkstoffen effektiv anwenden werden, so dass die vorteilhaften Eigenschaften der Massivumformung wie Faserverlauf und Kaltverfestigung genutzt werden können. Dadurch werden die bisher zusammengeschweißten Bauteilgruppen als ein komplexen Monolith-Bauteil mit wesentlich reduzierten Materialverbrauch, Gewicht und Kosten hergestellt. Neu entwickelten Produkte, Werkzeuge und Fertigungstechnologie wird erprobt, validiert und vermarktet.

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Background
In the production of thermoplastically formed honeycomb structures, simple standard material equations from various finite element method (FEM) systems fail. Differences to real experiments occur. Furthermore, each honeycomb of the structure has to be constructed, which takes a lot of time.

Objective
>> Creation of a material model that makes it possible to build the structure more simply and to still specify the stresses correctly

Methods
>> Homogenisation of the structure; spring-damper substitute model; use of a representative elementary volume (RVE); transfer of the data into a unit cell

Results
Though not for the application initially focused on, a unit cell was developed which simulates the behaviour of a honeycomb structure.

Conclusions
The work has to be extended not least with respect to a complex check for error causes in order to exclude the individually possible error sources.

Originality
A test environment was created. The determined stress values were homogenised and checked for correctness. Furthermore, the data were used in a unit cell to determine the comparison with the normal structure.

Keywords
Material model, homogenisation, honeycomb structure, polypropylene, viscoelasticity

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Die Lebensdauer von zyklisch belasteten metallischen Komponenten ist meist durch die Ermüdung der eingesetzten Werkstoffe begrenzt. Teilweise Irreversibilität der zyklischen Verformung führt zu Dehnungslokalisierung, Rissbildung und -ausbreitung und schließlich zum Bruch. Insbesondere ergeben ungünstige Orientierungen der Körner und Korngrenzen zusätzliche Spannungskonzentrationen, so dass selbst bei makroskopisch elastischen Deformationen lokale Plastizität in den Körnern auftritt. Diese lässt sich durch herkömmliche makroskopische Werkstoffmodelle nicht berücksichtigen. Von besonderer Bedeutung ist der Bauschinger-Effekt, über den sich die richtungsabhängige Verfestigung des Werkstoffs beschreiben lässt. Um ein grundlegendes Verständnis zum Bauschinger-Effekt gewinnen zu können, werden beim Projektpartner am Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) der RWTH Aachen mikromechanische und makromechanische Versuche und mikrostrukturelle Untersuchungen (Rasterelektronenmikroskopie mit EBSD/FIB und Transmissionselektronenmikroskopie) durchgeführt. Auf deren Grundlage werden Einkristall- und Vielkristallplastizitätsmodelle entwickelt, die eine explizite Einbeziehung des Bauschinger-Effekts in Finite-Elemente Berechnungen ermöglichen. Ziel ist die Identifikation von Zusammenhängen zwischen Ein- und Polykristallverfestigung. Dafür werden mikrostrukturbasierte Finite-Elemente-Modelle hinsichtlich des Zusammenhangs der kinematischen Verfestigung von Verformungsinkompatibilitäten durch unterschiedliche Kornorientierungen, dem Verhältnis von Korn- zu Modellgröße sowie der kinematischen Verfestigung im einzelnen Korn untersucht. Auf Grundlage der aus den mikrostrukturbasierten Berechnungen erzielten Ergebnisse werden die Werkstoffkennwerte geeigneter makroskopischer Plastizitätsmodelle ermittelt und in Zusammenhang zu den auf die Gleitsysteme bezogenen Kennwerten gestellt. Durch den Vergleich der lokalen Rückspannungstensoren mit dem makroskopischen Rückspannungstensor können Aussagen zum Beitrag der Inhomogenität zum Bauschinger-Effekt getroffen werden. Verifikationsexperimente an zwei technisch bedeutsamen Konstruktionswerkstoffen (Duplexstahl 1.4462 und Nickelbasissuperlegierung Alloy 718) werden die Möglichkeiten und Grenzen der Modelle aufzeigen.

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The sandwich construction with cover layers made of continuous fiber reinforced plastics and structured honeycomb core is the most efficient lightweight construction technology to realize components with minimal weight and maximum mechanical performance. Lengthy production times are still the limiting factor of this lightweight construction technology for cost sensitive markets with large production scales. To close this gap a novel multistage thermoforming process was developed for the processing of flat thermoplastic fiber reinforced sandwich panels into complex shaped sandwich parts in fully automatic manner.

The multistage thermoforming process consists of three main steps, heating of a flat sandwich panel via infrared radiation, robot-guided transfer of the panel into the cavity and thermoforming. The thermoforming step is also divided into three sub-process steps. These are the forming of the sandwich under preserving the characteristics of the core, stabilizing of the formed areas via vacuum gripping to the mold and closing of the sandwich by pressing the edge areas into a compact laminate. The shape of the formed sandwich shell and the transition geometry to the compact laminate can vary to the request of the required part design. To increase the freedom of form, it was also possible to demonstrate in a pilot process that the developed multistage thermoforming process can be combined with thermoplastic injection molding. Both processes together allow to produce complex and ready for use sandwich parts within cycle times of a minute with maximum system utilization.

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Background
The structure-mechanical analysis of such structures still poses major problems, since no adequatetheoryis available and classical continuum-mechanical models lead to immensely high computational complexity. In the context of industrial applications such an effort is not responsible, so the experimental analyses often have to be carried out.

Objective
The main goal of this project was developing a finite element based on a novel shell theory to analyse the sandwich structures with soft core layer (anti-sandwich structures). To achieve such an objective, a robust layer-wise theory for the structural analysis of doubly structures have been used.

Methods
To develop the element, the principal of virtual work was derived according to the layer-wise theory. Next, the shape of the element, the number of nodes, and the number of degrees of freedom have been determined. Afterwards, by choosing adequate shape functions, the source code of the element was written using the Abaqus subroutine user element. Then, the element has been integrated into finite element analyses using Abaqus. At the end, rectangular photovoltaic module were modelled using the new element for verification.

Results
This research deals with modelling the structural behaviour of anti-sandwich shells subjected to mechanical loads. The introduced element (Shell-Lwt) can analyse anti-sandwich structures as plates, single curved shells, and doubly curved shells.

Conclusions
The balance equations and constitutive model for a single layer by using the simple shell theory were obtained. Since mechanical and structural properties of the different layers of photovoltaic panels differ widely, classical approaches for composite structures fail to predict correct results. Therefore, expanding the equationsfor three layered structure was doneusing the layer-wise approach. The result was the formulation of the boundary value problem ofthe overall structure for the three layered composite structure. Since the solution of the formulated boundary value problem in closed form usually tightens a too narrow a frame for practical problems, a procedure for the numerical treatment by meansofthefinite element method was introduced. Therefore, a variational principal was exploited to gain a weak form of governing equations. This form was used to drive the discretized equation of motion. By using a classic finite element type and through the consideration ofartificial stiffening effects, the numerical formulation gained in efficiency and accuracy.

Orignality
The strategy developed here is particularly useful in the design and the development phase of anti-sandwich structures. With the numerical solution approach provided here, it is possible to predict the global structure behaviour as early as in the product development process, which can save high costs for experimental analyses.

Keywords
Curved photovoltaic panel, anti-sandwich structures, simple shell theory, layer-wise theory, finite-element analysis

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Im Rahmen des Promotionsvorhabens gilt es, ein geeignetes Materialmodell für die Schwindungsanalyse blasgeformter Kunststoffhohlkörper zu identifizieren und eine Strategie zur Kalibrierung des Modells auszuarbeiten. Die Schwierigkeit besteht dabei vor allem in der Beschreibung des komplexen zeit-, temperatur- und prozessabhängigen Materialverhaltens der eingesetzten Polymerwerkstoffe. Innerhalb der Projektlaufzeit soll es zunächst gelingen, die Materialschwindung anhand einfacher blasgeformter Prinzipbauteile für ein breites Prozessfenster experimentell zu charakterisieren. Anhand dieser experimentellen Datenbasis gilt es dann, geeignete Materialgesetze für die Schwindungs- und Verzugsanalyse zu kalibrieren. Übergeordnetes Ziel ist eine deutliche Steigerung der Vorhersagegenauigkeit der bisher eingesetzten Simulationsansätze.

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Ziel des Forschungsvorhabens ist die Klärung der Wirkung stationärer Temperaturgradienten - und damit zusammenhängend stationärer thermisch induzierter Spannungsgradienten - auf die Schädigungsentwicklung gekühlter Hochtemperaturbauteile. Dieses für Turbomaschinen typische Beanspruchungsmerkmal ist insbesondere hinsichtlich seines Beitrages und seiner Berücksichtigung bei der Schädigungsbewertung noch nicht gesichert verstanden. Entsprechende Verformungs- und Schädigungsmodelle sind zu erstellen und zu validieren. Auch eine mögliche Analogie zur Bewertung geometrischer Kerben soll untersucht werden. Weiterhin ist vorgesehen, zur Verkürzung erforderlicher
Berechnungszeiten bei Bauteilmodellen ein validiertes Extrapolationsverfahren bereitzustellen

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Kolben und Zylinderköpfe aus Aluminiumgusswerkstoffen in Verbrennungskraftmaschinen unterliegen im Einsatz starken Temperaturwechseln, welche zu einer thermomechanischen Ermüdung (TMF: thermomechanical fatigue) führen. Durch den Verbrennungsprozess ergeben sich zusätzliche hochfrequente Belastungen (HCF: high-cycle fatigue), welche den Thermozyklen überlagert werden und in einer kombinierten TMF/HCF-Belastung resultieren. Für Aluminiumgusslegierungen ist bekannt, dass eine TMF/HCF-Belastung zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion im Vergleich zu einer reinen TMF-Belastung führt. Im Rahmen des Projekts wurden detaillierte Werkstoffuntersuchungen zum Ermüdungsverhalten und der Schädigungsentwicklung zweier Aluminiumgusswerkstoffe durchgeführt. Anhand der Versuchsdaten und der beobachteten Schädigungsentwicklung wurde ein Kurzrisswachstumsmodell entwickelt und an die spezifischen Schädigungsmechanismen der beiden Werkstoffe angepasst. Das Kurzrissmodell kann die Lebensdauern einer Vielzahl von Probenuntersuchungen sehr gut beschreiben.

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Die Mikrostruktur der ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierung EN AW-2618A ist von herausragender Bedeutung für ihre Festigkeit, da nur ein Werkstoffzustand mit gezielt eingestellter Mikrostruktur eine für Radialverdichterräder ausreichende Festigkeit erreicht. Diese optimierte Mikrostruktur ändert sich jedoch während des Betriebs, denn die Bauteile werden bei Temperaturen eingesetzt, die nahe der Aushärtetemperatur liegen oder sogar darüber hinausgehen. Mit der Überalterung der Mikrostruktur ist eine Degradation der Eigenschaften zu beobachten. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Degradation der Festigkeit des Werkstoffs in drei anwendungsrelevanten Bereichen: der zyklischen Plastizität bei erhöhter Temperatur, der LCF-Ermüdungslebensdauer und dem Kriechen. Basierend auf experimentellen Ergebnissen werden Modelle für die Anwendung in einem Finite-Elemente-Kontext angepasst und diskutiert.

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Photovoltaik-Module sind Mehrschichtplatten, für die klassische Ansätze nicht verwendet werden können. Im Rahmen des Projektes sollen neue Analyseansätze begründet werden. Dabei werden Mehrskalenansätze verwendet. Die Modellierung beschränkt sich zunächst auf elastisches Materialverhalten.

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Das Ziel des Projektes ist es das Versagen einer Eisenaluminid-Beschichtung zu beschreiben, welche auf einer Aluminiumlegierung aufgebracht ist und zwischen 250^oC und 400^oC getestet wird. Zur Validierung des entwickelten Modells und Identifikation der benötigten Materialparameter werden Vier-Punkt-Biegeversuche genutzt, welche im ge-nannten Temperaturbereich und bei unterschiedlichen Belastungen durchgeführt werden. Darüber hinaus bilden diese Versuche auch die Basis zur Ableitung des Modells. Grundlage der Versagensmodellierung bildet die Theorie der Kohäsivzone, welche unabhängig voneinander von Barenblatt (1959) und Dugdale (1962) entwickelt wurde. Die entwickelten Modelle werden in das Simulationsprogramm ABAQUS mittels der UEL und UMAT Schnitt-stelle implementiert. Weiterhin wird in dem Projekt die Effizienz verschiedener Lösungs-strategien für das resultierende, partielle DGL System untersucht. Wobei die quasi-statische Rechnung in Kombination mit einer viskosen Regularisierung die effiziente Strategie dar-stellt. Abbildung 1 zeigt den Vergleich zwischen dem Experiment und der Simulation (Kreise), wobei für eine bessere Übereinstimmung eine Korrektur des Kriechmultiplikators nötig ist (Dreicke).

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Die über gewerblich betriebenen thermischen Geräte und Kücheneinrichtungen vorgeschriebenen geometrisch komplexen Flammschutzfilter müssen neben dem Abscheiden von freischwebenden Aerosolen, Öl- und Emulsionsnebeln sowie Staubpartikeln auch einen Flammendurchschlag gewährleisten. Die Anforderungen an Ausführung und Leistung steigen u.a. durch höhere Temperaturen bei den Koch- und Garprozessen, die reduzierte Feinstaubobergrenze und neue Aerosole und Öle stetig. Die bisherigen Fertigungsprozesse erlaubten insbesondere bei kleinen Stückzahlen und Einbauhöhen unter 50 mm keine kosteneffiziente Fertigung.

Projektziel war die Entwicklung einer neuen Technologie und modularer Werkzeuge zur flexiblen Fertigung von neuartigen Flammschutzfiltern mit höchsten Flammdurchschlagsicherheiten, um bis zu 30 % höhere Abscheidungsgrade auch bei Partikeldurchmessern = 5,0 µm sowie mit minimalem Montageaufwand durch Schnellverbindungen. Für verschiedene Größenbereiche und Einbauhöhen bereits ab 20 mm könne Flammschutzfilter auch in kleinsten Stückzahlen wirtschaftlich effizient gefertigt. Das Eigengewicht kann um ca. 25 % gesenkt und die Wirtschaftlichkeit der Fertigung um ca. 15 % erhöht werden.

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Wissenschaftlich-technisches Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist es, physikalische Modelle zu erarbeiten und ein numerisches Simulationstool zu entwickeln, welches es erlaubt, durch Steuerung der Kristallisation während des Spritzgussprozesses polymerbasierte Bauteile mit optimalen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Dies erfordert ein detailliertes Verständnis der Zusammenhänge zwischen (i) den mechanischen Eigenschaften des spritzgegossenen Bauteils, (ii) der inneren Struktur des räumlich inhomogenen teilkristallinen Bauteils und (iii) den während des Spritzgussprozesses benutzten Prozessparametern, wobei sich das Gemeinschaftsprojekt hier insbesondere auf den Einfluss des Temperaturregimes konzentriert.

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The principal objective of the proposed research is to expand the modeling capabilities of CNTRM s considered in the current project (and other composites with interphases) into an inelastic range. More specifically, the goal is to develop a method of evaluating the overall nonlinear behavior of CNTRM`s associated with damage of its interphases. This choice is made in recognition of the fact that damage, particularly damage of the interphases is an important aspect of nonlinear behavior of composites. As opposed to this approach, however, where discrete analysis of progressive debonding along the interphase was considered for representative unit cell (RUC) of a composite with regular arrangement of inhomogeneities, in this work a continuum approach to damage will be adopted. This appears to be a natural approach for composites with random microstructure, where RUC cannot be identified, and it is novel in the existing literature on the subject.

Another specific objective of the approach proposed here is to devise an approach suitable for materials with random arrangement of CNTs and their finite aspect ratio. Unlike random arrangement of spherical inhomogeneities, where the zones of debonding for a typical inhomogeneity can be associated with the principal directions of loading, such association cannot be realistically assumed in the case of CNTRM. In CNTRM the local elastic fields may very much more significantly and it is meaningful to describe the problem in terms of statistical averages. These averages represent the entire collection of CNTs in the material, each of them may have somewhat different pattern of damage. Collectively they should be equivalent to inhomogeneities whose interphases undergo homogeneous (smeared) damage. This assumption forms the basis for the approach proposed here, and, in fact, it parallels the thinking pursued in phenomenological 3D continuum description of damage. The difference is that the averages of elastic fields used in the formulation of the problem are based on the designed, or measured, statistical distribution of inhomogeneities (CNT) and are anticipated to lead to a material-tailored description.

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Many materials or media in nature and technology possess a microstructure, which determines their macro behaviour. Despite of possible difficulties to describe the morphology of this structure, the knowledge of the relevant mechanisms is often more comprehensive on the micro than on the macro scale. On the other hand, not all information on the micro level is relevant for the understanding of the macro behaviour. Therefore, averaging and homogenization methods are needed to select only the specific information from the micro scale, which influences the macro scale. These methods would also open the possibility to design or to influence microstructures with the objective to optimize their macro behaviour. Study and development of new methods in this interdisciplinary field of actual research will be under the supervision of professors from different engineering branches, applied mathematics, theoretical, and computational physics.

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Photovoltaiksysteme sind Mehrschichtplkatten, für die klassische Ansätze nicht verwendet werden können. Im Rahmen des Projektes sollen neue Analyseansätze begründet werden. Dabei werden einerseits Mehrskalenansätze verwendet. Die Modellierung beschränkt sich zunächst auf elastisches Materialverhalten.

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Das Hauptziel des Projektes ist es, eine neue Methode zum Modellieren und Homogenisieren von durch zufällig verteilte Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) verstärkte Materialien zu entwickeln. Ein weiteres Ziel besteht darin, ihre Effektivität in Anwendung auf die Analyse des Spannungs- und Deformationszustandes in Komposit-Elementen aufzuzeigen.

In diesem Modell werden die CNTs auf eine vorgeschriebene zufällige Weise innerhalb des Materials verteilt. Die Mikrostruktur des Materials wird durch Wahrscheinlichkeitsfunktionen beschrieben, die den Volumenanteil der CNTs, ihre Orientierungen, Abmessungen und andere relevante Parametern spezifizieren. Die CNTs werden als hohle ellipsenförmige oder zylindrische Nano-Einschlüsse mit einer Graphene-Schicht modelliert, die ihre Oberflächen bildet und mit dem Matrixmaterial in Wechselwirkung steht. 
Das Homogenisierungsproblem wird durch die Kopplung der Gleichungen der Elastizitätstheorie mit den Gleichungen des Materialoberflächenmodels, welches die Spezifik der CNT-Verstärkung berücksichtigt, formuliert. Die Kopplung zwischen diesen zwei Sätzen von Gleichungen soll die Natur der Bindung zwischen CNTs und der Matrix wiedergeben, welche am wenigsten erforscht und somit ein noch zu bestimmendes Teil des Modells ist. Deshalb werden zwei unterschiedliche Wege der Berücksichtigung der verschiedenen Bindung-Bedingungen zwischen den CNTs und der Matrix untersucht und verglichen.
Der eine Weg wird darin bestehen, zwischen den CNTs und der Matrix eine dünne Schicht aus elastischem Material einzuführen, deren Eigenschaften so angepasst werden, dass sie die Bindung-Eigenschaften emulieren. Die Parameter, die bei der Beschreibung dieser dünnen Schicht genutzt werden, werden über die Linearisierung passender inter-atomarer Potentiale bestimmt. Der zweite Weg besteht in der Modifizierung der Eigenschaften der CNTs selbst, welche die Ursprungseigenschaften des CNTs und der Bindung kombiniert. 
Die statistische Methode der konditionierten Momente, in Verbindung mit den Wahrscheinlichkeitsfunktionen, die das Material beschreiben, wird genutzt bei der Herleitung der Grundgleichungen, um in geschlossener Form Ausdrücke für alle elastischen (größenabhängigen) Module von CNT-verstärktem Material zu extrahieren. Verschiedene spezifische Materialien werden analysiert, ihre effektiven Eigenschaften bestimmt und Vergleiche mit existierenden Resultaten durchgeführt. 

Zur Illustration wird dieses Modell in einer FEM-Analyse genutzt, um das Verhalten von Kompositstrukturen, deren Geometrie und Belastung von Interesse in Anwendungen sind, vorherzusagen. Im Speziellen wird eine Platte ohne und mit einem zentralen Kreisloch bei Belastung in der Plattenebene untersucht. Es soll demonstriert werden, wie Variationen der geometrischen Parameter, der Volumenanteile, der räumlichen Verteilung, der Orientierung und der Bindung von CNTs das Strukturverhalten ändern und wie dieses genutzt werden kann für ein optimales Design derartiger Strukturen.

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Zylinderköpfe in Kraftfahrzeugmotoren sind nicht nur hohen mechanischen, sondern auch hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Durch die zyklische Beanspruchung des Bauteils entstehen große lokale Temperaturunterschiede und folglich auch beachtliche Spannungsgradienten, die einen schädigenden Einfluss auf das Bauteil ausüben können. In diesem Projekt wird zunächst ein bauteilähnliches Modell entwickelt, an dem grundlegende Einflüsse abbildbar sind. Weiterhin soll das Verhalten entstandener Schäden mit Hilfe der XFEM berechnet werden und die vorliegenden Beeinträchtigungen bewertbar machen. Zudem soll das Berechnungsmodell auf andere Bauteile und Werkstoffe übertragbar sein.

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Flugturbinenkomponenten wie Turbinenschaufeln und -scheiben sind hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, welche Spannungen und lokal plastische Dehnungen hervorrufen können. Die Kombination von Temperaturübergängen mit mechanischen Dehnungszyklen führt zur thermomechanischen Ermüdung des Werkstoffs und damit zu einer zunehmenden Schädigung im Betrieb, die nach einer gewissen Zyklenzahl zum Versagen der Komponenten führen kann. Um unter diesen starken Werkstoffbelastungen eine Gewichtsreduktion bei der Entwicklung von neuen Turbinen und gleichzeitig eine Effizienzsteigerungen durch höhere Temperaturen erreichen zu können, sind zuverlässige Berechnungsmethoden zur Lebensdauervorhersage notwendig. Zur Lebensdauervorhersage wird in der Regel von einem Plastizitätsmodell ausgegangen, dessen Werkstoffkennwerte so bestimmt wurden, dass experimentell ermittelte Spannungen und Dehnungen des Werkstoffs mit dem Modell im Mittel gut beschrieben werden. Die mit dem Plastizitätsmodell deterministisch berechneten Spannungen und Dehnungen stellen Eingangsgrößen für ein Schädigungsmodell dar, mit dessen Hilfe wiederum im Mittel die für den Werkstoff gemessenen Lebensdauern deterministisch beschrieben werden. Die Streuung im Werkstoffverhalten unterschiedlicher Werkstoffproben und deren Einfluss auf die Lebensdauervorhersage von hoch belasteten Komponenten kann über diese Vorgehensweise nicht bewertet werden. Dadurch entstehen Unsicherheiten bei der Bauteilauslegung, die sowohl zu überkonservativen, jedoch aber auch zu nichtkonservativen Bauteilbewertungen führen können. Deshalb wird in diesem Projekt eine Methodik zur probabilistischen Lebensdauervorhersage entwickelt, die eine Quantifizierung des Einflusses von Streuungen im Werkstoffverhalten auf die Lebensdauer ermöglicht. Hierzu werden statistische Methoden und ein mechanismenbasiertes Schädigungsmodell verwendet.

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Viele Werkzeugschäden, die bei der Warmumformung im Betrieb auftreten, sind auf Ermüdungsrisse zurückzuführen. Die Ermüdungsrisse bilden sich und wachsen aufgrund der lokalen hohen zyklischen thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Werkzeuge. Bisher gibt es keine etablierte Simulationsmethodik zur rechnerischen Bewertung der Lebensdauer von Umformwerkzeugen, die verlässliche Aussagen hinsichtlich der ertragbaren Zyklenzahl zum Versagen bei unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen zulässt. Ziel des beantragten Projekts ist es daher fortschrittliche Werkstoffmodelle zur Lebensdauerbewertung von Warmumformwerkzeugen zu entwickeln und diese anhand industrienaher Anwendungen auf ihre Vorhersagekraft zu überprüfen. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen, die am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen IFUM der Leibniz Universität Hannover durchgeführt werden, werden die für die Modellierung notwendigen Werkstoffdaten eines breit eingesetzten Werkzeugstahls ermittelt und dessen Schädigungsverhalten untersucht. Andererseits werden in theoretischen Arbeiten fortschrittliche Werkstoffmodelle zur numerischen Beschreibung des gemessenen Verformungsverhaltens eingesetzt und weiterentwickelt. Zur Lebensdauerbewertung soll dabei gezielt ein auf dem beobachteten Schädigungsmechanismus basierendes Modell abgeleitet werden, das den Einfluss unterschiedlicher Belastungssituationen berücksichtigen kann. Die Modelle sollen in kommerzielle Finite-Elemente Programme implementiert und anhand zweier unterschiedlicher industrienaher Anwendungsfälle validiert werden. Mit den entwickelten Modellen soll zukünftig eine rechnerische Lebensdauerbewertung zur sicheren Auslegung von Warmumformwerkzeugen ermöglicht werden.

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The aim of the project is
1) to develop mathematical models of plates and shells taking into account surface stresses acting in surface layers, coatings, phase transitions, non-homogeneities with engineering applications;
2) to develop mathematical models of generalized media such as Cosserat continuum, micromorphic continua, second-gradient media.

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Advanced chromium steels are widely used materials for components in power plants. Due to their complex microstructure these steels show a good creep resistance. Nevertheless a reliable prediction of the deformation state caused by temperature and thermal load is essential in the design process of power plant components. To this end a material model based on a continuum mixture theory approach is utilized. Therefore the microstructure is represented as an inelastic hard and inelastic soft phase to derive constitutive equation of the mixture. Furthermore evolution of the microstructure is described by evolution equation of inner state variables, which enter the constitutive equation. Material model parameters are calibrated against uni-axial material tests for different stress and temperature levels. For verification purpose the calibrated material model has to predict material behavior for non constant stresses. Finally the material model will be implemented in a commercial FE-code to perfume the structural analysis of component.

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Since 1970s, phases in the Ti-Al alloy system have been widely recognized as a possible basis for the development of novel lightweight alloys for high temperature structural applications. These alloys exhibit impressive material properties such as high strength, fracture toughness, corrosive resistance, low density and high melting temperature. Because of these properties, Titanium alloys are widely used in numerous structural applications, particularly in aerospace application such as low pressure turbine blades, high pressure compressor blades, vanes, casings and tiles etc. From available different titanium alloys, gamma-TiAl type (with FCC structure) and alpha2-TiAl ( with CPH structure) alloys show superior properties. At the moment, the alloys with the best overall mechanical performance are based on the intermetallic, gamma-TiAl phase strengthened by minor fractions of the hexagonal αlpha2-TiAl phase and hence it is one of the most popular alloys used in aerospace application.

With the constraint of cost and time, modeling of alloys becomes priority to study the material response in extreme conditions of high stress and temperature, particularly in creep. Thermomechanical fatigue life prediction is also an important part in the design of high temperature materials and requires a stress-strain analysis for accurate results. The modern methods for life prediction in structures need inelastic analyses, which lead to much progress made in the development of constitutive equations to represent the mechanical response of materials under various loading conditions at high temperatures.

In short, the inelastic behavior like yielding, hardening, creep, relaxation etc. of mentioned Ti-based alloy will be investigated in detail by using the crystal viscoplasticity model and compared with experimental results. Representative Volume Element (RVE) is to be used with periodic boundary condition since plane and symmetric boundary conditions can not give the possibility to use complex loading condition experienced in practical application. Specific parameter determination protocols are will be established for crystal viscoplasticity model implemented in ABAQUS through a user material subroutine. This research will focus on the development, numerical implementation and application of two distinct versions of viscoplasticity, classical crystal plasticity and dislocation-based continuum dislocation theory in the context of Ti-Al alloy, the size-dependent deformation and temperature dependence are also to be studied via direct numerical simulation.

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Teilprojekt: Modellierung der Kriechschädigung bei nichtproportionalen Beanspruchungen  
Bearbeitung: Frau O. Ozhoga-Maslowska  
Betreuung: H. Altenbach, K. Naumenko  
Ausgehend von Mechanismen der Hohlraumbildung und des Wachstums sowie einer ange­nommenen Gefügegeometrie (Körner, Korngrenzen, Partikel) soll ein mikromechanisches Modell entwickelt und verschiedenen Beanspruchungszuständen (ein-, mehrachsig, Zug- und Druckbeanspruchung, variable Hauptspannungsrichtungen) unterworfen werden. Insbesondere soll die Mehrachsigkeits- und Spannungszustandseinflüsse betrachtet werden. Darauf basierend sowie mit Hilfe einer Homogenisierung sind geeignete tensorwertige Schädigungsvariablen sowie entsprechende Evolutionsgleichungen zu entwickeln.

Teilprojekt: Mechanismen-basierte Modellierung hochlegierter warmfester Stähle  
Bearbeitung: Adill Maimati  
Betreuung H. Altenbach, K. Naumenko  
Ausgehend von den Kenntnissen der kriechverzerrungsinduzierten Gefügeänderungen (Vergröberung der Subkornstruktur, Vergröberung von Karbidausscheidungen etc.) sowie in der Werkstoffkunde diskutierten mikromechanischen Modellen (Verbundmodelle für kriechharte und kriechweiche Bereiche, Evolutionsgleichungen für Versetzungsdichte), soll ein mehrachsiges  Modell, das für die Simulation von Großbauteilen einsetzbar ist, entwickelt und verifiziert werden. Zu diesem Zweck ist das Konzept eines mehrphasigen Mediums (Mesomodell) heranzuziehen. Die Konstitutivgleichungen der Bestandteile (hart und weich) sind separat zu formulieren und mit Methoden der Kompositmechanik (Mischungsregeln) zu kombinieren. Da die Volumenanteile von mikrostrukturellen Größen, z.B. mittlere Subkorngröße, abhängig sind, sollen entsprechende Evolutionsgleichungen formuliert werden. Das Makromodell (Modell mit einem Rückspannungstensor und Entfestigungsvariablen) ist durch eine geeignete Mittelung zu formulieren.    

Teilprojekt: Mikro-Makro-Untersuchungen des anisotropen Kriechverhaltens in einer mehrlagigen Schweißnaht  
Bearbeitung: Ivan Lvov  
Betreuung H. Altenbach, K. Naumenko    
Ausgehend von den Konstitutivmodellen und experimentellen Daten zum Kriechen der einzelnen Gefügezonen soll ein mikromechanisches Modell für das mehrlagige Schweißgut entwickelt werden. Mit Hilfe der FEM-Simulationen ist das Kriechverhalten unter gegebenen ein- und mehrachsigen Spannungszuständen numerisch zu simulieren. Dabei ist zu klären, welchen Einfluss die angenommene Gefügegeometrie (Geometrie der Lagen, Breite der Wärmeeinflusszonen) hat und wie sich die Variation dieser Geometrie auswirkt.   Darauf basierend ist ein makromechanisches Konstitutivmodell, das sowohl die Ausgangsanisotropie als auch die schädigungsinduzierte Anisotropie beachtet, zu formulieren. Das Model wird anschließend für eine Schweißnahtanalyse eingesetzt.

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Estimation of behavior of metal closed-cell foams under compressive loading is a complex task and must take into account buckling problem, plastic deformation of the cell walls, self-contact problem, damage accumulation, arising cracks and their growth, etc. Full map of the problem is such complicated,  that its direct solution is very expensive for application in the industry.

In the work in proposed simplified scheme for estimation of arising in the metallic closed-cell foams strain localizations and packaged domains of cells. The work is divided on two main parts. First part is devoted to the nucleation problem of strain localizations and based on the solution of the linear buckling problemfor closed-cell metallic foammodeled bymeans of Voronoi tessellation. In the second part is discussed themodeling of packaging propagation in themetallic closed-cell foams. Modeling is based on the phase-field approach. Verification of proposed estimation scheme is performed on base the of experimental data for aluminumclosed-cell foamAlulight®.

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Polymere ermöglichen Großserienfertigung bei geringen Produktionskosten im Vergleich zu Bauteilen aus metallischen Werkstoffen. Dieser ökonomische Vorteil macht Polymerbauteile für die Automobilzulieferindustrie interessant. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Polymeren treten schon bei geringen Lastniveaus, moderaten thermischen Belastungen und kurzen Haltezeiten signifikante Kriecheffekte auf.

Im Auslegungsprozess der Bauteile muss das nichtlineare Materialverhalten von Polymeren berücksichtigt werden. Neben realen Bauteilversuchen ist die Simulation der Bauteile ein wesentlicher Bestandteil der Prozesskette der Dimensionierung und der Designentwürfe. Für realistische Simulationsergebnisse muss ein potentes Materialmodell zur Verfügung stehen.

Für die Robert Bosch GmbH wird das Polymer POM untersucht. Anhand einzelner Kriechkurven soll das Materialverhalten identifiziert werden. Das Materialmodell wird 1D für finite Deformationen formuliert und dann auf 3D erweitert. Die 3D-Formulierung wird in den FE-Code Abaqus implementiert und anhand von Bauteilversuchen wird das Materialmodell verifiziert.

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Für Gusseisen-Kompositwerkstoffe werden Konstitutivmodelle für die Beschreibung des inelastischen Werkstoffverhaltens im Hochtemperaturbereich entwickelt. Dafür werden Konzepte der Kontinuumsmechanik von mehrphasigen Medien eingesetzt. Die Werkstoffkennwerte in den Modellen werden anhand von experimentellen Daten (Warmzugversuche und Kriechversuche) identifiziert.

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Das wesentlichen Ergebnis der Dissertation ist die Analyse spiraler piezoelektrischer Nanofilme und eines Massivs aus Film/Kristall. In Ergänzung dazu wurden Simulationen des Verhaltens betrachtet,  insbesondere bei Berücksichtigung des Einflusses äußeren Mediums. Entsprechende Simulationen können ausschließlich numerisch vorgenommen werden, da analytische Lösungen nicht existieren.

Folgenden Ergebnisse  (Auswahl) wurden für die Modelle der Nanostrukturen mit der chiralen Elementen erzielt:

- Ein Modell für ein- und mehrschichtige Strukturen mit Spiralgeometrie und mit besonderen Materialeigenschaften
wurde  entwickelt. Das mathematische  Modell gründet sich auf kontinuumsmechanischen Überlegungen. 

- Die Simulation sowohl des direkten als auch inversen piezoelektrischen Effekts unter Berücksichtigung der
verschiedener piezoelektrischen Eigenschaften wurde vorgenommen. Auch wurde der Einfluss der Polarisation und der Geometrie des Films im Rahmen der elastischen und elektrischen Aufgaben betrachtet. Die grundlegenden unbekannten
Systemparameter wurden bei der numerischen Simulation erhalten.

- Das Eigenwertproblem mit der Bestimmung der Eigenwerte und jeweilige Eigenmoden des Nanoschale wurden erhalten. Die Ergebnisse des beschriebenen Eigenwertproblems geben eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen, die in Arbeiten von Eremeyev u.a. in den Jahren 2005-2007 erzielt wurden.

- Das Problem der Wechselwirkung der piezoelektrischen Schale mit einem  nicht-linearen Medium  ist vollständig gelöst
worden. Dabei wurde numerisch eine Methode verwendet, die auf dem Zwei-Wege-Austausch zwischen Finite-Elemente- und Finite-Volumen-Verfahren beruht.

- Der unterschiedliche Einfluss einer Newtonschen und nicht-Newtonschen Flüssigkeit wurde untersucht.  Zwei Modelle sind für die parametrische Analyse der Interaktion einer schraubenförmigen Membran mit einem äußeren Medium
vorgeschlagen worden.

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Der Energiebedarf des Menschen wird immer größer. Die natürlich vorhandenen Energieressourcen sind in einer Form in der Natur und verlangen nach Umwandlung in eine Form, die leicht zugänglich für den Endverbraucher ist. Kraftwerke spielen u.a. eine Rolle in diesem Umwandlungsprozess. Die Umwandlungsprozesse müssen zwei wichtige und aktuelle Probleme einbeziehen - sie sollten hocheffizient und umweltfreundlich sein. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist die Mehrheit der Umwandlungsprozesse durch hohe Temperatur und Druck gekennzeichnet. Allerdings haben diese Bedingungen großen Einfluss auf die Lebensdauer und das ordnungsgemäße Funktionieren der Kraftwerkskomponenten in den Energieumwandlungsprozessen. Typische Folgen sind inelastische Materialverhaltensweisen wie Kriechen und Ermüdung in den Werkstoffen, aus denen die Kraftwerkskomponenten bestehen.

Im Projekt wird sich auf die Modellierung des inelastischen Verhaltens konzentriert, wbei die Anwendung sich auf Wärmetauscher bezieht. Es wird ein inelastisches konstitutives Modell für den T91 Stahl entwickelt - der Stahl ist typisch für den Kraftwerksanlagenbau. Die Parameter in den Modellgleichungen sind identifiziert worden und das Modell zeigt gute Übereinstimmung mit Versuchsdaten. Ein Material-Benutzer-Unterprogramm ist geschrieben worden, um das Modell in die kommerziellen Software ABAQUS zu integrieren. Das Modell wurde verwendet, um das Kriechverhalten einer gekrümmten Rohrleitung aus T91 Stahl zu simulieren.

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Kraftübertragende dünnwandige Bauteile werden häufig aus kurzfaserverstärkten Polymeren im Spritzgussprozess hergestellt. Während der Formfüllung entsteht eine Mikrostruktur bevorzugter Faserorientierungen, die zu einer Anisotropie der mechanischen Eigenschaften führt. Um im Stadium der Auslegung eines Bauteils Voraussagen über die Eigenschaften machen zu können, muss die Faserorientierung mit Hilfe von Simulationsprogrammen vorhergesagt werden können.Die Bewegungsgleichung für die Rotation eines einzelnen Partikels im strömenden Medium wird hergeleitet und numerisch gelöst. Dabei wird die Wechselwirkung des Partikels mit dem umgebenden Medium berücksichtigt.

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Ziel des Projektes mit Hilfe eines internationalen Konsortiums, bestehend aus 10 europäischen Partnern, ein Exzellenzzentrum an der TU Lublin zu schaffen. Dieses soll die Forschung zu Kompositwerkstoffen an der Universität koordinieren und bündeln sowie die Kooperation zur regionalen Luftfahrtindustrie stärken. Wesentliche inhaltliche Fragestellungen sind mit dem Sprödverhalten von Kompositen, der Bruchmechanik, aber auch mit dem Leichtbaupotential verbunden.

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Ziel des Projectes ist es, dass inelastische Verhalten von Schäumen besser zu beschreiben. Dabei wird von einer direkt formulierten Schalentheorie ausgegangen (Cosserat-Ansatz), da hauptsächlich dünnwandige Flächentragwerke untersucht werden sollen. BBeim inealstischen Werkstoffverhalten soll exemplarisch das viskoelastische Verhalten betrachtet werden.

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Polymere ermöglichen Großserienfertigung bei geringen Produktionskosten im Vergleich zu Bauteilen aus metallischen Werkstoffen. Dieser ökonomische Vorteil macht Polymerbauteile für die Automobilzulieferindustrie interessant. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Polymeren treten schon bei geringen Lastniveaus, moderaten thermischen Belastungen und kurzen Haltezeiten signifikante Kriecheffekte auf.
Im Auslegungsprozess der Bauteile muss das nichtlineare Materialverhalten von Polymeren berücksichtigt werden. Neben realen Bauteilversuchen ist die Simulation der Bauteile ein wesentlicher Bestandteil der Prozesskette der Dimensionierung und der Designentwürfe. Für realistische Simulationsergebnisse muss ein potentes Materialmodell zur Verfügung stehen.
Für einen Industriepartner wird das Polymer POM untersucht. Anhand einzelner Kriechkurven soll das Materialverhalten identifiziert werden. Das Materialmodell wird 1D für finite Deformationen formuliert und dann auf 3D erweitert. Die 3D-Formulierung wird in den FE-Code Abaqus implementiert und anhand von Bauteilversuchen wird das Materialmodell verifiziert.

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Das Konzept der Vergleichsspannung ist von grundsätzlicher Bedeutung bei der Bewertung der Festigkeit, des plastischen Fließens oder des Versagens. Die traditionellen Konzepte genügen im Falle der Konstruktionswerkstoffe, die oftmals bis heute eingesetzt werden. Im Fall von neuen Werkstoffen müssen die Fragen der Kompressibilität, des unterschiedlichen Zug- und Druckverhaltens u.a.m. überdacht werden.

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Generalized continua were discussed 2 years ago during the first trilateral seminar (see Altenbach,H.; Erofeev,V.;Maugin,G.A. (Eds.):Mechanics of Generalized Continua. Advanced Structured Materials, Vol. 7 - Berlin: Springer, 2011). Frome September 26th up to September 30th, 2012 the second seminar will held in Wittenberg.

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In recent years significant progress in synthesis of metamaterials with perspective and unusual functional properties is observed. The properties of these metamaterials are highly depend on their microstructure. In particular, the helical shell structures have found various applications, for example in MEMS/NEMS, optics and medicine. The interaction of the shell with the environment is highly important for engineering design, e.g in the medicine applications when the shell operates in fluid. The model of non-Newtonian fluid of pseudoplastic type is used. We examine the types of motion of the shell in laminar flows. The research is taken into account the piezoelectric properties of the helical shells. Principal task is the simulation of the shell kinematics in the some non-classical environment. The second part of the work consider nanocrystal/nanofiber arrays and apply the applications of the classical mechanics of fibre reinforced composites taking into account the morphology and electrical properties of nanocrystalls. In addition, for irregular structures the fractal analysis is applied. Unlike to the classical composites in this work also taking into account the interaction forces between the nanocrystals such as van-der-Waals forces, adhesion forces, etc. The interaction between first and second part of the research consist in the micro-macro interaction between shell and array of the shells.

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Schäume sind typische Vertreter von Werkstoffen mit Anwendungen im Leichtbau. Dabei gibt es unterschiedliche Varianten: offenzellige oder geschlossenzellige Schäume; Polymer- oder Metallschäume. Allen gemein ist, dass durch die "Porosität" die mechanischen Eigenschaft im Vergleich zu Bulkmaterialien deutlische unterschiede aufweisen. Im Mittelpunkt des Projektes steht das inelastische Verhalten, was u.a. mit der Einheitszellenmethode simuliert werden soll.

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Ziel der Arbeit soll es sein, eine Methodik zur Beschreibung des Langszeitverhaltens von kurzfaserverstärkten Kompositen zu finden. Dabei soll mit Hilfe einer 2-Skalenmodellierung versucht werden, nur aus den Eigenschaften der Konstituenten und des Orientierungszustandes der Fasern, den Komposit zu beschreiben. Im Anschluss sollen die gewonnenen Erkenntnisse in das FE Programm Abaqus mit einer Materialsubroutine eingebaut werden.

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Das Langzeitverhalten von 9%-12% Cr warmfesten austenitischen Stählen wird untersucht. Dazu wird ein entwickeltes Modell anhand von Literaturdaten kalibriert und in den kommerziellen FE-Code ABAQUS implementiert. Es werden ausgewählte Benchmark-Probleme gelöst und mit Literaturdaten verglichen. Nach den erfolgreichen Benchmarks werden Bauteile mithilfe des
Modells berechnet.

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Phasenumwandlungen stellen ein hochinteressantes Forschungsgebiet mit zahlreichen Anwendungen dar. Im Rahmen dieserArbeit sollen hauptsächlich die kontinuumsmechanischen Grundlagen untersucht werden.

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In der Lutherstadt Wittenberg findet das erste trilaterale Symposium mit 30 Teilnehmern aus Deutschland, Frankreich und Russland statt. Im Rahmen des Symposiums sollen verallgemeinerte Kontinua diskutiert werden, deren Grundlagen u.a. in den drei Ländern entwickelt wurden.

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Innerhalb des Graduiertenkollegs wird das inelastische Verhalten von Aluminiumlegierungen des Automobilbaus bei zyklischer Beanspruchung experimentell charakterisiert und numerisch simuliert. Dabei liegt der Schwerpunkt auf einer niedrigen Zyklenzahl. Gleichzeitig werden jedoch erhöhte Temperaturen vorausgesetzt, die zum inelastischen Verhalten führen.

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Konstruktionen des Maschinenbaus unterliegen of komplexen Beanspruchungen. Dies betrifft die Art der Beanspruchung (rein-mechanisch), thermisch usw.  Gleichzeitig ist die Mehraxialität des Problems von Bedeutung. Werkstoffwissenschaft und .physik beschreiben das Materialverhalten oft nur eindimensional. Innerhalb des Projektes werden insbesondere mehrachsige Stoffgesetze untersucht und auf ihre Anwendbarkeit geprüft.

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The subject of the research project is the investigation of the
mechanical properties of elastic shells and plates endowed with a
certain microstructure. In this sense, we employ the model of
deformable directed surfaces, which is effective for the study of thin
bodies with complex internal structure. The objectives of the research
project are the following:
1. to investigate the mathematical aspects of the theory of deformable
directed surfaces: we study the boundary-initial-value problems associated
with the deformation of elastic shells and study the significant
properties of their solutions concerning existence, uniqueness,
reciprocity, variational characterizations, and continuous dependence on
the external loads;
2. to extend this approach for the modeling of shells made of porous
materials or other microstructural materials.

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Recently, the theory of elasticity with surface stresses was developed for nanomechanical problems. Within this theory, the surface stresses act on the body boundary.

In our researches we extend the linear theory of elastic shells for this case. We obtained the equations of equilibrium and constitutive equations for the stress resultants and couples tensors while taking into account the surface stresses acting on the shell surfaces. The effective shell stiffness, in particular, the bending stiffness depends here also on the surface elastic moduli, which is substantial for nanodimensional thicknesses. We also consider the effective stiffness properties of the nanoporous materials like as nanofoams.

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Metallic and polymer foams are widely used in modern industries, e.g., the aircraft and the automotive industries, but also with other application fields like biomechanics. The reason for this is some specific properties of these advanced materials. They are very light, but the specific strength is comparable with the classical structural materials. If they are applied as sandwiches, the specific properties can be even much better. In addition, they are able to absorb energy which allows the use of these materials as crash elements.

In general, technological parameters in foam production are adjusted such that a uniform effective foam density is achieved throughout the products. Some technologies, e.g., injecting foam in a cavity or filling a mold with foam by an expansion process, naturally result in non-uniform distributions of the effective density. These inhomogeneities of the effective foam density may be exploited in structural design, essentially treating the foam as a functionally graded material.

FGMs are composite materials where the composition or the microstructure is locally varied so that a certain variation of the local material properties is achieved. Modern FGMs are constructed for complex requirements, such as the heat shield of a rocket or implants for humans. In these cases the analysis of the material and
the structures made of FGMs cannot be only limited to the mechanical
behavior. FGMs can be modeled as a porous material with nonhomogeneous
distribution of porosity.

Engineering structures made of porous materials, especially metal
foams, have been used in different applications in the last decades.
A metal foam is a cellular structure consisting of a solid metal, for
example aluminium, steel, copper, etc., containing a large volume
fraction of gas-filled pores. There are two types of metal foams. One
is the closed-cell foam, while the second one is the open-cell foam.
The defining characteristics of metal foams are a very high porosity:
typically well over 80%, 90% and even 98% of the volume consists of
void spaces.

The basics of the analysis of structures made of foams is the continuum mechanics. Briefly were presented the foundations. In addition, the introduction in the theory of elasticity and plasticity was given. Special attention was paid to the yield criteria, to anisotropy and to the different behavior in tension and compression. Many structural elements made of foams can be presented by beam, plate or shell
models. As an example, a plate theory based on the direct approach
was presented. One of the basic elements of this theory is the effective
property concept. Such a theory is suitable for the global analysis of
plates (deflections, frequencies, etc.).

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Polymer- und Metallschäume besitzen ein hohes Innovationspotential. Sie werden verstärkt in Luft- und Raufahrt, aber auch in der Automobilindustrie als Leichtbauwerkstoffe eingesetzt. Ziel der Studie ist eine Auseinandersetzung mit den unterschiedlichen Modellierungen auf der Mikro-, Meso- und Makroebene. In einer ersten Stufe sollen die theoretischen Überlegungen in ein makroskopisches Werkstoffmodell eingehen, wobei dieses dann im Sinne vonn effektiven Eigenschaften im Plattenmodell verwendet wird. Erste Ergebnisse der statischen und dynamischen Globalanalyse haben gezeigt, dass die Kirchhoffsche Plattentheorie in einigen Fällen versagt und zu verbesserten Theorien übergegangen werden muss.

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Kraftübertragende dünnwandige Bauteile werden häufig aus kurzfaserverstärkten Polymeren im Spritzgussprozess hergestellt. Während der Formfüllung entsteht eine Mikrostruktur bevorzugter Faserorientierungen, die zu einer Anisotropie der mechanischen Eigenschaften führt. Um im Stadium der Auslegung eines Bauteils Voraussagen über die Eigenschaften machen zu können, muss die Faserorientierung mit Hilfe von Simulationsprogrammen vorhergesagt werden können.Die Bewegungsgleichung für die Rotation eines einzelnen Partikels im strömenden Medium wird hergeleitet und numerisch gelöst. Dabei wird die Wechselwirkung des Partikels mit dem umgebenden Medium berücksichtigt.

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Maschinenbaukonstruktionen unterliegen unterschiedlichen Belastungen, wobei u.a. nach statischen, quasistatischen und dynamischen unterschieden wird. Im Rahmen des Projektes wurden die unterschiedlichen Konzepte miteinander gegenübergestellt und Gemeinsamkeiten herausgearbeitet.

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The project aims for establishing new areas of competence at Lublin University of Technology (LUT) comprising modelling of composite materials and their applications to civil, mechanical and aircraft engineering. The major goal and novelty of the project is to link together nano-, micro-, meso- and macro-scales to get perfect description of the composite behaviour under different loadings, temperature and environmental conditions. The project implementation will result in creating a leading research and education centre in the Middle-East part of Europe in modern composite materials and their applications to construction elements. With regard to research, it is envisaged to develop modern approaches to engineering structures made of composite and smart materials using non-linear theory for static and dynamic loading, new concepts of control, optimisation of the structure and methods of experimental investigations and identification of models. With regard to education, it is planned to provide teaching at the European level, consistent with EC priorities - by introducing new courses to existing Ph.D. studies programme, arranging advanced courses for the LUT staff and training LUT staff at partner institutions. It is envisaged to strengthen co-operation with the local industry: Polish Aviation Work Swidnik S.A. , Wiz-Art Ltd, local SME and new company AERONET- Aeronautic Valley, promote new technologies of composites and structural elements production and foster innovation to the local enterprises. In terms of socio-economical aspects, ToK project will help Lublin area (where LUT is situated)- as less favoured region - to compensate disproportion.The proposed project will increase international competitiveness of LUT in the field of composite materials and their applications to engineering structures. Involvement of LUT in joint European research projects will be enhanced by increase of long term research and collaborative capacity of LUT with EU institutions.

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Viele Materialien oder Medien in der Natur und Technik besitzen eine Mikrostruktur, die das Makroverhalten entsprechend prägt. Oft und trotz eventueller Schwierigkeiten bei der Beschreibung der entsprechenden Topologie ist die Kenntnis der relevanten Mechanismen auf Mikrostrukturebene umfassender als auf der Makroebene. Andererseits sind aber nicht alle Informationen auf der Mikroebene für das Verhalten auf der Makroebene relevant. Deswegen werden Mitteilungs- oder Homogenisierungs-Methoden benötigt, um aus den Mikro-Informationen geziehlt diejenigen herauszufiltern, die das Makroverhalten bestimmen. Dies eröffnet geleichzeitig in vielen Fällen die Möglichkeit, Mikrostrukturen gezielt zu entwerfen oder zu beeinflussen, um die Makroeigenschaften von Werkstoffen zu optimieren.

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Für neue Kriechgleichungen sind in einem ersten Schritt die Materialparameter zu identifizieren. In einem zweiten Schritt sind die Gesetze in kommerzielle Software zu implementieren. Zur Verifikation der FE-Software werden spezielle benchmarks entwickelt.

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Phänomenologische Werkstoffgesetze sind in Ingenieuranwendungen bis heute dominant. Innerhalb des Projektes wurden unterschiedliche Konzepte miteinander verglichen und bezüglich ihrer Einsatzgrenzen überprüft.

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Der Trafo-Blechverbund wird als Balken im Sinne der Technischen Mechanik modelliert. Die klassischen Ansätze der elementaren Theorie genügen nicht, da mit großen Verformungen gerechnet werden muss. Daneben sind für das Problem die Randbedingungen sorgfältig einzuarbeiten.

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Bei der Bauteilsimulation nimmt eine zentrale Stellung das Werkstoffmodell ein. Im Rahmen des Projektes werden zwei Konzepte miteinander verglichen: das phänomenologische Modell, welches die Mikrostruktur weitestgehend unberücksichtigt lässt, und mikromechanisch basierte Modelle.

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Für die Bewertung von Implantaten, die Entwicklung neuer Biomaterialien und die gezielte Oberflächenmodifikation von Implantatwerkstoffen, die im Skelettsystem verankert werden sollen, ist die quantitative Untersuchung der Belastungsfähigkeit des Interface zwischen Implantat und Knochen von grundlegender Bedeutung. Zur Bewertung der Grenzflächeneigen-schaften hat sich die Untersuchung der Scherfestigkeit der Grenzfläche im Tiermodell bewährt, die von den meisten Experimentatoren im push-out-Test oder im pull-out-Test durchgeführt wird. Bisher wird aus diesen Prüfungen jedoch meist nur die erreichte Maximalkraft bzw. Scherfestigkeit ausgewertet. Das Versagen der Implantat-Knochen-Grenzfläche erfolgt jedoch lastabhängig durch konsekutives Abreißen der anhaftenden Knochenbälkchen, wobei Typ und Behandlung des Implantatmaterials und die Verweildauer im Organismus entsprechenden Einfluss ausüben. Um Informationen über das beginnende Versagen und die Schädi-gungskinetik zu erhalten, wurde der push-out-Test um die simultane Schallemissionsprüfung erweitert, mit der die aktuelle Schadensentwicklung verfolgt werden kann. Damit sind in der Anfangsphase des Kraft-Weg-Diagramms vor Erreichen der Maximalkraft die Scherkräfte messbar, bei denen erste Ablösungen des Implantates vom umgebenden Knochen auftreten. Das beginnende Grenzflächenversagen wird durch die kritische mechanische Energie beim Einsetzen der akustischen Emission bestimmt, wobei die parallel registrierten mechanischen Kenngrößen die Scherspannung und Deformation definieren. Beim Versagen eines Implantates z.B. der Lockerung eines künstlichen Gelenkes, kommt es in der Regel nicht zu einem abrupten Versagen der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat, sondern zu einem allmählichen, schrittweisen Grenzflächenversagen mit Nachsinken oder Lockerung der En-doprothese. Dieses partielle Debonding des Interface von Knochen und Implantat führt sekundär zu einer Überlastung des Knochengewebes an den verbliebenen Kontaktstellen, lokalen Lastspitzen und so zum Fortschreiten der Desintegration des Implantates mit makrosko-pisch feststellbarer und klinisch evidenter Lockerung.

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Das Projekt ist Bestandteil des Leonard-Euler-Studienprogramms 2005/2006. Es dient der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses in der Ukraine. In das aktuelle Programm sind 2 ukrainische Studenten eingebunden, die eine 9monatige Förderung in der Ukraine und einen 1monatigen Aufenthalt in Deutschland erhalten. Thematisch sind zwei Arbeitsrichtungen integriert:Thema 1: Modellierung des Verhaltens eines KompositwerkstoffesThema 2: Modellierung einer Sandwichstruktur

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Für zahlreiche Bauteile für Hochtemperaturanwendungen ist die Lebensdauerabschätzung im Kriechbereich die wichtigste Aufgabe bei der Vorbereitung von Einsatzentscheidungen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen umfassenden Überblick über die theoretische Modellierung und die Analyse des Kriechens und der Langzeitfestigkeit von Bauteilen zu geben. Dabei stehen folgende Schwerpunkte im Mittelpunkt: Konstitutivgleichungen für das Kriechen von Ingenieurwerkstoffen unter mehrachsigen Beanspruchungen, strukturmechanische Modelle für Balken, Platten, Schalen und dreidimensionale Körper sowie numerische Verfahren für die Lösung nichtlinearer Anfangs-Randwertaufgaben der Kriechmechanik. Im Rahmen der konstitutiven Modellierung werden zahlreiche Erweiterungen der Mises-Odqvist-Kriechtheorie wie die Einbeziehung der Art des Spannungszustandes, der Anisotropie sowie der Verfestigungs- und Schädigungsvorgänge diskutiert. Für Sonderfälle der Materialsymmetrien werden geeignete Invarianten des Spannungstensors, Ansätze für Vergleichsspannungen und -dehnungen sowie Konstitutivgleichungen zum anisotropen Kriechen formuliert. Das Primärkriechen und transiente Kriechvorgänge können durch die Einführung von Verfestigungsvariablen beschrieben werden. Die Modelle der Zeit- und Deformations- sowie der kinematischen Verfestigung werden bezüglich der Vorhersagbarkeit des mehrachsigen Kriechens, die bisher auf die Beschreibung des Tertiärkriechens und der Langzeitfestigkeit angewandt wurden. Für einige Ingenieurwerkstoffe werden Kriechkurven, Konstitutivgleichungen, konstitutive Funktionen und Werkstoffkennwerte anhand der in der Literatur publizierten Daten zusammengefasst. Ferner wird ein neues Modell zur Beschreibung des anisotropen Kriechens in einem mehrlagigen Schweißgut vorgestellt.Die Grundgleichungen für das Kriechen in dreidimensionalen Körpern werden zum Zweck der Formulierung von Anfangs-Randwertproblemen, Variationsverfahren und Zeitschrittalgorithmen zusammengefasst. Zahlreiche Modelle der Strukturmechanik für Balken, Platten und Schalen werden bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf Kriechprobleme diskutiert. Hier wird auf Effekte wie Querschubverzerrung, Randschichten und geometrische Nichtlineatitäten aufmerksam gemacht. Modelle mit Schädigungsvariablen werden mit Hilfe einer benutzerdefinierten subroutine in das Programmsystem ANSYS eingebunden. Für deren Verifikation werden Testaufgaben entwickelt und mit Hilfe spezieller numerischer Verfahren gelöst. Berechnungen der selben Aufgaben mit der Methode der finiten Elemente illustrieren die Anwendbarkeit der entwickelten subroutine für verschiedene Typen von finiten Elementen. Weiterhin zeigen sie den Einfluss der Netzdichte auf die Lösungsgenauigkeit. Abschließend wird die Langzeitfestigkeitsanalyse einer räumlichen Rohrleitung vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Verfahren in der Lage ist, die wesentlichen Kriech- und Schädigungsvorgänge in Ingenieurkonstruktionen darzustellen.

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Endlosfaserverstärkte Thermoplastwerkstoffe zeigen ein von der Belastungs- oder Dehngeschwindigkeit abhängiges Materialverhalten. Um dieses Materialverhalten zu modellieren, werden die Materialkennwerte als zeitabhängig betrachtet und in einem linearen viskoelastischen Materialgesetz in Integralformulierung angewendet. Durch die Konzentration auf unidirektional endlosfaserverstärkte Thermoplastwerkstoffe vereinfacht sich das Materialgesetz in eine Formulierung für transversal isotrope Werkstoffe. Dieses Konstitutivgesetz für transversal isotrope Werkstoffe wurde in das Finite-Elemente-Programm ABAQUS implementiert. Für einachsige Beanspruchungen lässt sich die analytische Lösung mit der Simulation vergleichen. Zur Validierung des Materialmodells ist es notwendig Versuche an einfachen Probengeometrien durchzuführen und die Ergebnisse mit den Resultaten der Simulation zu vergleichen. Dabei ist der mögliche Anwendungsbereich auszutesten und entsprechende Materialparameter zu bestimmen. Im Anschluss an diese Untersuchungen können komplexere Bauteile berechnet werden.

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Viele Materialien oder Medien in der Natur und Technik besitzen eine Mikrostruktur, die das Makroverhalten entsprechend prägt. Oft und trotz eventueller Schwierigkeiten bei der Beschreibung der entsprechenden Topologie ist die Kenntnis der relevanten Mechanismen auf Mikrostrukturebene umfassender als auf der Makroebene. Andererseits sind aber nicht alle Informationen auf der Mikroebene für das Verhalten auf der Makroebene relevant. Deswegen werden Mitteilungs- oder Homogenisierungs-Methoden benötigt, um aus den Mikro-Informationen geziehlt diejenigen herauszufiltern, die das Makroverhalten bestimmen. Dies eröffnet geleichzeitig in vielen Fällen die Möglichkeit, Mikrostrukturen gezielt zu entwerfen oder zu beeinflussen, um die Makroeigenschaften von Werkstoffen zu optimieren.

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Durch eine vergleichende Analyse wurde die Umstellung des Studiums entsprechend dses Bologna-Prozesses in drei Ländern für den Maschinenbau betrachtet. Dabei traten Gemeinsamkeiten, aber auch deutliche Unterschiede in den einzelnen Ländern hervor. Dies betrifft Studienbschlüsse und Studienzeiten. Die Analage des Promotionsstudiums war dagegen nahezu identisch.

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Untersuchung von dünnwandigen Strukturmodellen auf der Grundlage klassischer und verbesserter Ansätze zur Kinematik bzw. zum Spannungszustand. Modelle der Kriechmechanik unter Einbeziehung nichtklassischer Effekte des Materialverhaltens. Einbeziehung der Schädigung in kriechmechanische Analysen. Einsatz kommerzieller Finite-Elemente-Programme bei Aufgaben der Strukturmechanik unter Berücksichtigung inelastischen Materialverhaltens. Berechnung herstellungstechnologisch bedingter Spannungen und Verzerrungen in Bauteilen aus verstärkten Kunststoffen.

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Zahlreiche dünnwandige Bauteile lassen sich als Schalen oder Platten modellieren. Basierend auf numerischen Lösungen von Anfangs-Randwertproblemen für die mathematische Modellierung der Kriechschädigung in Strukturelementen werden phänomenologische Materialmodelle zur Beschreibung von Werkstoffkriechen und Schädigung verglichen und bewertet, wobei eine Beschränkung auf stationäre Beanspruchungs- und Temperaturbedingungen erfolgt. Die Parameter der Materialmodelle werden an die aus der Literatur bekannten experimentelle Daten zum Kriechen metallischer Werkstoffe angepaßt. Die in der Kirchhoff-Love-Theorie getroffenen Annahmen sind bei zeitabhängigem Materialverhalten in Platten und Schalen nicht immer erfüllt. Im Vergleich zu den bisherigen Arbeiten wird daher eine verbesserte Schalenkinematik mit unabhängigen Rotationen eingesetzt. Die Modelle werden in verfügbare Rechenprogramme (spezielle Eigenentwicklungen, FE-Systeme) zum Zweck der Verallgemeinerung bei komplexer Geometrie übertragen und verifiziert.

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Entwicklung von Modellvorstellungen und konstitutiven Gleichungen zur Beschreibung des uinneren Zustandes und der Schädigung des Materials. Entwicklung von finiten Elementen für die dünnwandigen Verbundstrukturen unter Berücksichtigung nichtmechanischer Effekte. Optimae Auslegung von geregelten Leitbaustrukturen unter Nutzung von Parallelrechnern. Iterative Modellanpassungsverfahren für große FEM-Modelle realer Strukuren mit Hilfe experimenteller Daten mit Parameterschätzverfahren unter Einfluß stochastischer Größen

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