Forschung / Projekte


Mikrostrukturmodellierung und –optimierung schmelzinfiltrierter Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe
(Microstructural modeling and optimization of metal matrix composites)


Projekt:
Numerische Mikrostrukturoptimierung Schmelzinfiltrierter Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe

Zusammenfassung:
Es soll eine numerische Zweiskalenmethode zur Mikrostrukturoptimierung von Mikroproben und Bauteilen aus schmelzinfiltriertem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit maximaler makroskopischer Steifigkeit unter quasistatischer mechanischer Belastung entwickelt werden. Die makroskopische Modellierung erfolgt mittels der FE-Methode. Jeder Integrationspunkt im Element, das aus mehreren Domänen (aus Gebieten gleicher Orientierung und Geometrie der Einschlüsse) besteht, stellt die Mikrostruktur auf der Mikroebene dar. Die effektive Steifigkeit der Mikrostruktur auf der Mikroebene unter Wirkung der makroskopischen Verzerrungen wird mittels mikromechanischer Zwei-Schritt-Homogenisierungsverfahren bestimmt. Das inelastische Materialverhalten der einzelnen Materialphasen wird inkrementell durch entsprechende Materialgesetze bei der Bestimmung  der Tangentesteifigkeit der einzelnen Domäne im ersten Homogenisierungsschritt berücksichtigt. Die effektive Steifigkeit im Integrationspunkt wird im zweiten Homogenisierungsschritt bestimmt. Die Beschränkungen auf Design-Variablen der Optimierung sollen aus den statistischen Untersuchungen der Mikrostruktur und aus Kenntnissen über den Herstellungsprozess definiert werden. Die Lösung des Optimierungsproblems soll iterativ zuerst für ein einfaches Problem und dann für eine kappenförmige Prothese  erfolgen. Zur Bestimmung der Materialgesetze für einzelne Phasen sowie zur Verifikation der Mikrostrukturmodellierung und Optimierung werden zahlreiche vorhandene experimentelle Daten aus Untersuchungen der Mikro- und Makroproben sowie aus FE-Modellen der realen Mikrostruktur eingebracht.

Typische Mikrostruktur der schmelzinfiltrierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe (Aufnahmen von S. Roy IWK1)




Berechnete optimale Domäne und Keramik Verteilungen für eine Probe unter 4-Punkt-Biegeversuch




a) Schematische Darstellung des 4-Punkt-Biegeversuchs und von einzelner Domäne mit Orientierung alpha
b) Optimierte Mikrostruktur mit minimaler Nachgiebigkeit: Domäne- und Keramikverteilung innerhalb der 2D Mikrostruktur
  
Mehr dazu in
R. Piat, Y. Sinchuk, M. Vasoya, O. Sigmund, Minimal compliance design for metal-ceramic composites based structures, eingereicht bei Acta Materialia.

Mikrostruktur Charakterisierung und Modellierung von CFC Verbundwerkstoffen

Projekt:
Materials Worlds Network: Multi-Scale Study of Chemical Vapor Infiltrated C/C Composites
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Sommersemester 2007

• Workshop: Arbeitstechniken für den Maschinenbau, "Näherungsverfahren der Festkörpermechanik"

Wintersemester 2006/2007:

• Vorlesung: Mathematische Methoden der Festigkeitslehre (MMF)

Sommersemester 2006:

• Vorlesung : FEM:Berechnungen in der Konstruktion auf UNIX-Arbeitsplatzrechner
• Vorlesung : Mathematische Methoden der Strukturmechanik

Wintersemester 2005/2006:

• Vorlesung: Mathematische Methoden der Festigkeitslehre (früher Elastostatik)
• Vorlesung : Höhere Technische Festigkeitslehre (Vorlesungen und Übungen)

Sommersemester 2005:

• Vorlesung : FEM:Berechnungen in der Konstruktion auf UNIX-Arbeitsplatzrechner
• Vorlesung : Mathematische Methoden der Strukturmechanik

Wintersemester 2004/2005:

• Vorlesung: Mathematische Methoden der Elastostatik
• Vorlesung : Höhere Technische Festigkeitslehre

Sommersemester 2004:

• Vorlesung: Mathematische Methoden der Strukturmechanik
• Seminar für Doktoranden zum Fachgebiet "Rechnerunterstützte Mechanik"

Wintersemester 2003/2004:

• Vorlesung: Mathematische Methoden der Elastostatik
• Übung: Höhere Technische Festigkeitslehre

Sommersemester 2003:

• Vorlesung : FEM:Berechnungen in der Konstruktion auf UNIX-Arbeitsplatzrechner
• Vorlesung : Mathematische Methoden der Strukturmechanik

Wintersemester 2002/2003:

• Vorlesung : Höhere Technische Festigkeitslehre
• Vorlesung : Mathematische Methoden der Elastostatik

Sommersemester 2002:

• Vorlesung / Übung: Mathematische Methoden der Strukturmechanik

Wintersemester 2001/2002:

• Vorlesung: FEM:Berechnungen in der Konstruktion auf UNIX-Arbeitsplatzrechnern
• Übung: RUM I - Rechnerunterstützte Mechanik I

Sommersemester 2001:

• Übung: RUM II - Rechnerunterstützte Mechanik II

Wintersemester 2000/2001:

• Übung: HTF

Studien- und Diplomarbeiten (Institut für Technische Mechanik)


Laufende und abgeschlossene Arbeiten:

Intership Projects

In Kooperation mit dem IFMA Clermont-Ferrand, Frankreich
M. Guichard: "Micromechanical modeling of melt-infiltrated metal-ceramic composites", 2007.



Studienarbeiten (Betreuer: Dr. Romana Piat, Prof.-Dr.-Ing. Thomas Böhlke (ab 2007))

• Studienarbeit von Yinan Zuo: „Zweidimensionale Modellierung der Rissausbreitung mittels der FEM“, 2008.
• Studienarbeit von Frau M. Syha: "Mikromechanische Modellierung einer CVI-infiltrierten 3D-Kohlenstofffaser-Preform", 2007.
• Studienarbeit von Herrn P. Megyesi: "Metallographic analysis and modeling of 2D crack propagation in porous carbon-carbon composites", 2007.
• Studienarbeit von Herrn B. Hack: "Untersuchung der Schädigungsentwicklung in CVI-infiltriertem C-Filz unter thermischer Belastung“, 2006.
  

Diplomarbeiten (Betreuer: Dr. Romana Piat, Prof.-Dr.-Ing. Thomas Böhlke (ab 2007))

• Diplomarbeit von Frau R. Rieck: "Mikrostrukturbasierte Finite-Element-Simulation eines 4-Punkt-Biegeversuchs", 2007.
• Diplomarbeit von Herrn M. Heyd (gemeinsame Betretung mit LuK LLC USA): „Cumulative Damage for Clutch Cover Tab", 2007.
• Diplomarbeit von Frau T. Shrinivasa: „Nano to micro material modelling of carbon-carbon composites and investigation of a macro model for electromagnetic heating”, 2006.
• Diplomarbeit von Frau C. Brunon: „Untersuchung der Reibung zwischen den Pyrokohlenstoffschichten in CFC-Verbundwerkstoffen“, 2005.
• Diplomarbeit von Herrn M. Cinmay R. Gadre: „Aspects of modeling of carbon/carbon composites at micro and macro levels“, 2005.
• Diplomarbeit von Herrn A. Moracis (gemeinsame Betreuung mit Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine der Universität Karlsruhe): „Bruchmechanische Bewertung von strumpfgestoßenen Hohlprofilen“, 2005.
• Diplomarbeit von Herrn N. Bronzel (gemeinsame Betreuung mit Freudenberg Forschungsdienste): „Abschätzung der Lebensdauer von Elastomerbauteilen unter mehrachsigen Lastkollektiven“, 2004.
• Diplomarbeit von Herrn N. Mladenov: „Bestimmung der Materialparameter des infiltrierten C/C Filzes“, 2004.
• Diplomarbeit von Herrn M. Boljen (gemeinsame Betreuung mit EADS Deutschland GmbH, München): „Materialmodellierung und Impaktsimulation eines sekundären Außenhautelements“, 2004.
• Diplomarbeit von Frau K. Kadechka (gemeinsame Betreuung mit Robert Bosch Stuttgart): „Finite-Elemente-Analyse von Klebverbindungen“, 2002.
• Diplomarbeit von Frau Hayen Yu (gemeinsame Betreuung mit Robert Bosch Bühl): „Erstellung eines Kriteriumkatalogs zur Auswahl geeigneter Elemente zur Diskretisierung von Kunststoffzargen am Beispiel einer Standard- und einer Strukturzarge unter Verwendung der Finite-Element-Methode“, 2002.

Beteiligung an der Betreuung der Doktorarbeit

Doktorarbeit von Herrn. J. Novak (gemeinsame Betreuung mit Prof. Tsukrov, University of New Hampshire, Mechanical Engineering, USA): „Effective elastic properties of two-dimensional solids with inhomogeneities of irregular shapes“, 2004.

Zur Zeit arbeitet Dr. J. Novak als Ausbilder und Konsultant bei „SolidWorks Corporation, COSMOS Analysis Division”.
Meine Beteiligung an der Betreuung dieser Doktorarbeit war in der letzten Phase der Arbeit und betraf die Anwendung und Ausarbeitung der entwickelten theoretischen Methoden für bestimmte Materialien, Mikrostruktur-Untersuchung und experimentelle Verifikation der Ergebnisse.

Please refer to the German page "Veröffentlichungen". Thank you.