Kontinuumsmechanik im Maschinenbau

Die Professur Kontinuumsmechanik im Maschinenbau entwickelt Methoden zur kontinuumsmechanischen Modellierung und Simulation des Materialverhaltens angewandter Werkstoffe unter Einbeziehung der Mikrostruktur und spezieller Verformungsmechanismen. Die Arbeiten schließen sowohl eine grundlagen- als auch eine ‎anwendungsorientierte Beschreibung der Werkstoffe ein. Methodische ‎Schwerpunkte sind die mathematische Modellbildung im Rahmen der ‎linearen und nichtlinearen Kontinuumsmechanik, die Anwendung von Homogenisierungsmethoden, das wissenschaftliche Rechnen ‎‎(z.B. FEM) und die Materialidentifikation basierend auf Experimenten.‎

Forschungsschwerpunkte

  • FE-basierte Mehrskalenmethoden
  • Homogenisierung elastischer, spröd-elastischer, viskoplastischer und viskoelastischer Materialeigenschaften
  • Mathematische Beschreibung von Mikrostrukturen
  • Lokalisierungs- und Versagensmechanismen

Studien- und Lehrangebot

Schwerpunkt unseres Lehrangebots sind die Grundlagenvorlesungen in Technische ‎Mechanik I und II sowie verschiedene Wahlpflicht- und Wahlfachveranstaltungen ‎im Bachelor- und Master-Studium. In den Vorlesungen Technische Mechanik werden die Grundlagen ‎einer modernen Kontinuumstheorie gelegt, Näherungsverfahren der Mechanik ‎diskutiert und die Dimensionierung von Bauteilen, auch unter Verwendung ‎aktueller mathematisch numerischer Software, im verpflichtend begleitenden ‎Rechnerpraktikum behandelt.‎
Die theoretisch bzw. numerisch orientierten Vertiefungsvorlesungen ‎thematisieren aktuelle Methoden auf den Forschungsgebieten der Elastizitäts- und Plastizitätstheorie, sowie der Mikromechanik und numerischen ‎Mechanik. Auch ein experimentelles Praktikum zu Grundlagenversuchen mit ‎modernen Verbundwerkstoffen wird angeboten. Zu erwähnen sind die vielfältigen ‎Angebote im Bereich der Bachelor- und Masterarbeiten, viele davon in ‎Kooperation mit Industrieunternehmen.‎

Folgende Volesungen werden angeboten:‎

Wintersemester

  • Technische Mechanik I
  • Engineering Mechanics I
  • Höhere Technische Festigkeitslehre (mit Rechnerpraktikum)
  • Kontinnumsmechanik der Festkörper und Fluide (seit WS 2019)
    (zusammen mit Prof. B. Frohnapfel)
  • Mathematische Methoden der Festigkeitslehre
  • Mathematische Methoden der Kontinuumsmechanik (seit WS 2019)
  • Mikrostrukturcharakterisierung und -modellierung
  • Rechnerunterstützte Mechanik I (mit Rechnerpraktikum)
  • Numerische Homogenisierung auf Realdaten
  • Simulation im Produktentstehungsprozess
  • Prozesssimulation in der Umformtechnik
  • Forschungsseminar Kontinuumsmechanik und Homogenisierungsmethoden

Sommersemester

  • Technische Mechanik II
  • Engineering Mechanics II
  • Workshop im Rahmen der LV Arbeitstechniken im Maschinenbau
  • Einführung in die Finite-Element-Methode (mit Rechnerpraktikum)
  • Mathematische Methoden der Strukturmechanik
  • Nonlinear Continuum Mechanics
  • Rechnerunterstützte Mechanik II (mit Rechnerpraktikum)
  • Digitale Mikrostrukturcharakterisierung und -modellierung
  • Experimentelle Methoden der Mechanik (Fachpraktikum)
  • Forschungsseminar Kontinuumsmechanik und Homogenisierungsmethoden
     

Schwerpunkte im Bachelor-Studium

  • Festigkeitslehre und Kontinuumsmechanik

Schwerpunkte im Master-Studium

  • Mechanik und angewandte Mathematik
  • Theoretical and experimental mechanics

Forschungsziele

  • Mechanische und thermomechanische Charakterisierung von metallischen Werkstoffe
  • Mechanische und thermo-viskoelastische Charakterisierung von Polymerwerkstoffen (rein und im Verbund)
  • Charakterisierung anisotropen Materialverhaltens unter mehrachsigen Belastungen
  • Entwicklung und Validierung numerisch effizienter Mehrskalen- und Homogenisierungsmethoden

Ausstattung

Spezielle Messtechnik

- Trocken- und Wärmeschrank (Binder)
- Präzisionswaage (Kern)
- Exsikkator (Sicco)
- Optische Dehnungsmessung mittels DIC (Aramis 3D 4M (GOM)) (am Biaxialprüfstand)
  (2D sehr gut, in der dritten Richtung nur ungenau, da nicht von Starrkörperbewegung
  unterscheidbar)


Prüfmöglichkeiten

  • Elektromechanische Biaxial-Prüfmaschine mit 4 seperat gesteuerten Prüfachsen ‎‎(Zwick)
     

    Maximalkraft

    150 kN

    Traversengeschwindigkeit

    0,0005 bis 900 mm/min

    Maximaler Verfahrweg pro Achse

    700 mm

    Besonderheiten

    • Integrale optische Dehnungsmessung mittels VideoExtens (Zwick)
    • Lokale optische Dehnungsmessung mittels ARAMIS 3D 4M (GOM)‎
    ‎                                                                                                                    
     


                                                                                                              Biaxial-Prüfmaschine

    Bisher untersuchte Materialien:
    Sheet Molding Compounds (SMC), metallische Werkstoffe (z.B. Dualphasenstahl)

     
  • Dynamisch-Mechanische Thermoanalyse (DMA), EPLEXOR® 500 N (GABO)
     

    Temperaturbereich

    -150°C bis 500°C

    Belastungsfrequenzbereich

    0,01 bis 100 Hz‎

    Maximale statische Last

    1500 N

    Maximale dynamische Last

    500 N

    Kraftmessdosen

    150 N, 500 N, 1500 N

    Messtypen

    • Dynamische Zugversuche (unter Temperatur- und Frequenzbelastung, auch überlagerbar)
    • Dynamische Biegeversuche
    • Statische Zugversuche (Universal Tester)
    • Relaxations- und Retardationsversuche
     
     


                                                                                                  DMA-Prüfmaschine und Probenhalter

    Bisher untersuchte Materialien:
    Polyamid, Polypropylen, Vinylester, ungesättigtes Polyester-Polyurethan Hybrid Harz (jeweils als reines Matrixmaterial und faserverstärkt)

     
  • Dilatometer, DIL 402 Expedis® Select (Netzsch)
     

    Temperaturbereich

    -180°C bis 1600°C

    Messbereich

    20 mm (± 10000 μm)

    Auflösung

    1 nm

    Kraftbereich

    10 mN bis 3 N

     
     


                                                                                                        Dilatometer-Prüfmaschine

    Bisher untersuchte Materialien:
    Sheet Molding Compounds (SMC)

     
  • Laserflash, LFA 467 HyperFlash® (Netzsch)
     

    Temperaturbereich

    -100°C bis 500°C

    Temperaturleitfähigkeit

    0,01 mm2/s bis 2000 mm2/s

    Wärmeleitfähigkeit

    0,1 W/(mK) bis 4000 W/(mK)


     


                                                                                                             Laserflash-Prüfmaschine

    Bisher untersuchte Materialien:
    Sheet Molding Compounds (SMC)

     
  • Lokales Computernetzwerk mit Anbindung an Vektor- und mehrere Parallelrechner sowie an Computercluster des Scientific Computing Center (SSCK) des KIT - Karlsruher Institut für Technologie - im Rahmen des Höchstleistungsrechner-Kompetenzzentrums Baden-Württemberg (hkz-bw)


     

Leistungs-, Kooperations- und Weiterbildungsangebote

  • Beratung bei Problemstellungen der Rechnergestützten Mechanik, der Mikromechanik und der Materialmodellierung
  • Kooperationen mit anderen Forschungsinstituten und Industrieunternehmen
  • Seminare zu Homogenisierungsmethoden und Mikromechanik