Forschung

Hochfeste Betone und Dualphasenstähle, Keramiken und Faserverbundwerkstoffe - diese komplizierten Materialien spielen am Institut für Mechanik und Flächentragwerke eine wichtige Rolle. In vielen Fällen stellt deren akkurate Modellierung, wie sie für hochtechnologische Anwendungen notwendig ist, eine Herausforderung dar. Am Institut werden numerische Methoden entwickelt, mit denen sich das oft mulitphysikalische Verhalten moderner Materialien auf verschiedenen Skalen und skalenübergreifend vorhersagen lässt. Die Forschungsprojekte am Institut gliedern sich in die folgenden fünf Forschungsfelder:

mehr erfahren

Forschungsfelder

Schädigungs- und Bruchmechanik

In den meisten Fällen versagen Bauwerke, Bauteile und Materialien aufgrund von bruchmechanischen Vorgängen. Basierend auf der eXtended Finite Element Methode (XFEM) und geeigneten Materialmodellen werden in diesem Forschungsfeld Methoden entwickelt, um effizient und präzise vorhersagen zu können, wann und wie das betrachtete Material durch Bruch versagt.

Multiphysikalische Materialmodellierung auf mehreren Skalen

Zur Optimierung und Entwicklung vieler moderner Materialien werden in diesem Forschungsfeld numerische Methoden entwickelt, die das multiphysikalische Mikrostrukturverhalten skalenübergreifend bei der Simulation einbeziehen.

Numerische Methoden

Zur Verbesserung der Genauigkeit und Robustheit von numerischen Simulation werden in diesem Forschungsfeld moderne Finite Elemente Methoden und erweiterte Finite Elemente Methoden entwickelt. Dies trägt unter anderem zu einer breiteren Anwendbarkeit der numerischen Methoden bei.

Dynamik der Kontinua

Viele Strukturen aus der Ingenieurpraxis sind dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. In diesem Forschungsfeld werden numerische und analytische Methoden weiterentwickelt, die dabei helfen, das nichtlineare dynamische Verhalten dieser Strukturen insbesondere für heterogene Materialien adäquat zu modellieren und sie ressourceneffizient zu bemessen.

Fachdidaktik der Ingenieurwissenschaften

In diesem Forschungsfeld werden konkrete Hilfsmittel und Maßnahmen entwickelt, um den Studienerfolg im Studiengang Bauingenieurwesen unter besonderer Berücksichtigung des Faches Mechanik zu verbessern.

Forschung

Zentrale Forschungsgebiete am Institut für Mechanik und Flächentragwerke sind effiziente numerische Methoden in der Bruchmechanik für unterschiedliche Materialien, Mehrskalenmethoden für bruchmechanische Vorgänge und heterogene Materialien sowie Materialmodellierung komplexer Materialien und Mehrfeldprobleme.

Im Bereich Bruchmechanik werden Methoden zur Simulation dreidimensionalen Rissfortschritts basierend auf der eXtended Finite Element Method (XFEM) entwickelt. Anwendungen sind unter anderem die Vorhersage der Rissausbreitung in mechanisch und thermisch hoch belasteten, regenerierten Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken, die Lebensdauerberechnung hochfester Betone unter zyklischer Belastung sowie die Rissentstehung und -ausbreitung in polykristallinen Mikrostrukturen von Dualphasenstählen während der Umformung.

Für diese Anwendungsgebiete werden auch Mehrskalenmethoden entwickelt, um das mikrostrukturelle Verhalten der betrachteten Materialien sowie dessen Einfluss auf die Rissausbreitung berücksichtigen zu können. Ein weiteres Forschungsfeld im Bereich Bruchmechanik ist die XFEM-basierte Simulation von hydraulic fracturing Prozessen zur Gewinnung geothermischer Energie. Für die Weiterentwicklung komplexer Fertigungsprozesse, wie z.B. dem Tailored Forming ist es notwendig, die Materialmodellierung für die hybriden Bauteile zu verbessern. Dies betrifft insbesondere den Umformprozess und die dabei auftretenden sehr komplizierten Vorgänge in der Fügezone, die auch multiphysikalische Effekte mit einschließen. Hierfür ist eine akkurate Modellierung der Mehrfeldprobleme unerlässlich.

Ein weiteres Forschungsgebiet am Institut für Mechanik und Flächentragwerke ist die Entwicklung numerischer Methoden. Dies betrifft insbesondere die Weiterentwicklung von Finite Elemente Methoden und eXtended Finite Elemente Methoden zur Verbesseung der Robustheit, Genauigkeit und Anwendbarkeit auf spezielle Problemstellungen.

Auf dem Gebiet der Kontinuumsdynamik treten Themen wie die Wellenausbreitung in heterogenen Materialien oder der Einfluss nichtmaterieller Randbedingungen in den Fokus der Forschung. Als Einwirkungen werden dabei neben allgemein zeitabhängigen Belastungen speziell zeitharmonische Anregungen und Impaktvorgänge berücksichtigt.

Neben der Übertragung aktueller Forschungsergebnisse in die Lehre ist die Fachdidaktik der Ingenieurwissenschaften selbst auch Gegenstand der Forschung. Ziel ist es hierbei unter anderem, den Studienerfolg Studierender nachhaltig zu vergrößern und auf diese Weise persönliche sowie gesellschaftliche Ressourcen zu schonen.

Von zentraler Bedeutung für die Forschung innerhalb des Instituts ist der interdisziplinäre Charakter, der sich auch durch Kooperationen mit Partnern anderer Disziplinen, wie der Biologie, Medizin, Mathematik und Psychologie zeigt.