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
- Kontinnumsmechanik der Festkörper und Fluide (seit WS 2019)
(zusammen mit Prof. B. Frohnapfel) (mit Rechnerpraktikum) - Mathematische Methoden der Kontinuumsmechanik (seit WS 2019)
- Mikrostrukturcharakterisierung und -modellierung
- Rechnerunterstützte Mechanik I (mit Rechnerpraktikum)
- Numerische Homogenisierung auf Realdaten
- 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 Mikromechanik (seit SoSe 2020)
- Nonlinear Continuum Mechanics
- Rechnerunterstützte Mechanik II (mit Rechnerpraktikum)
- Digitale Mikrostrukturcharakterisierung und -modellierung
- Experimentelle Methoden der Mechanik (Fachpraktikum)
- Forschungsseminar Kontinuumsmechanik und Homogenisierungsmethoden
Schwerpunkt im Bachelor-Studium
- SP13: Kontinuumsmechanik
Schwerpunkte im Master-Studium
- SP 30: Angewandte Mechanik
- SP 56: Advanced Materials Modeling and Data Management
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)