Modelle & Simulation

Modelle & Simulation stellen in unserer ganzheitlichen Material-, Werkstoff-, Verfahrens- & Bauteilentwicklung einen wesentlichen Entwicklungsbaustein dar. Zur sicheren und effizienten Überwachung von Bauteilen und Konstruktionen sind sensorbasierte Modelle und Simulationen wertvolle Hilfsmittel. Wir arbeiten an Analyse und Beantwortung multiphysikalische Problemstellungen und nutzen dafür numerische Modelle und Methoden der technischen Mechanik (Kinetik, Dynamik, Kontinuumsmechanik), der Strömungsmechanik und Wärmeübertragungs-simulationen. Die Validierung und Kalibrierung der Prognosemodelle erfolgt dabei durch Experimente an Prototypenmodellen oder durch die Beobachtung realer Systeme und deren Abgleich mit den Simulationsergebnissen.

Ihre Ansprechpartner
Prof. Dr. rer. nat. Tom Lahmer Leiter Forschergruppe Charakterisierung und Funktionalisierung von Werkstoffen und Bauteilen +49 (3643) 564170 tom.lahmer@mfpa.de
Dipl.-Ing. Heiko Beinersdorf Arbeitsgruppenleiter Modelle und Numerische Simulation +49 (3643) 564409 heiko.beinersdorf@mfpa.de
Dr.-Ingenieurin Luise Göbel Wissenschaftliche Mitarbeiterin +49 (3643) 564172 luise.goebel@mfpa.de

Modellbasierte Identifikation von Materialkennwerten

Klassische Tests mit physischen Prototypen sind in der Regel zeitaufwendig und kostspielig. Gleichzeitig steigen Kundenerwartungen sowie Wettbewerbs- und Innovationsdruck schneller als je zuvor. Durch den Einsatz von Simulationssoftware können diese physischen Prototypen zwar nicht vollständig ersetzt, deren Anzahl in allen Entwicklungsphasen aber deutlich reduziert werden.
Wir nutzen Modelle um darauf basierend Eigenschaftsparameter und Materialkennwerte zu ermitteln. Damit können wir solche Materialkennwerte sehr viel schneller auch an komplexen Strukturen ermitteln und für die weitere Material- und Verfahrensentwicklung bereitstellen.

Prozessmodelle zur Vorhersage der Produkteigenschaften bei
unscharfen Eingangsparametern.

Die Herstellung von Werkstoffe sowie deren Verarbeitung zu Produkten und Bauteilen in Fertigungsprozessen beeinflusst die Eigenschaften der Produkte maßgeblich. Prognosen zu den Eigenschaften erfordern deshalb nicht nur die Betrachtung des idealen gefertigten Endprodukts oder -bauteils, sondern die Untersuchung der Einflüsse aus den Herstellungsprozessen. Wir entwickeln Prognosemodell für Fertiogungsprozesse mit denen die Eigenschaften der Produkte am Ende der Fertigung vorhergesagt werden können, und berücksichtigen dabei die unscharfen Einganggrößen in die Modell im Rahmen stochastischer Ansätze.

Entwicklung von Ultraschall und Feuchte-Sensorik zur
Qualitätsüberwachung in Produktionsprozessen

Für Bauteile und Bauwerke, die Mehrfeldbeanspruchungen ausgesetz sind, z.B. aus mechanischen, thermischen und hygrischen Belastungen, entwickeln wir Sensorkonzepte zur Überwachung und darauf aufbauend Algorithmen zum Monitoring des Bauteilverhaltens.

Mikrostrukturbasierte Modellierung von Baustoffen

Zahlreiche Baustoffe, darunter Beton, Holz und Asphalt, weisen ein heterogenes Gefüge auf, welches sich auf verschiedenen Beobachtungsskalen auflösen lässt. Die makroskopischen Eigenschaften der Materialien werden dabei durch die jeweilige spezifische Mikrostruktur bestimmt, die überaus komplex und von zahlreichen Einflussfaktoren geprägt ist.
Zur Bestimmung dieser Eigenschaften nutzen wir mikrostrukturbasierte Vorhersagemodelle, die das makroskopische Materialverhalten ausgehend von mikrostrukturellen Charakteristika abschätzen können. Für die Kalibrierung und Validierung dieser Multiskalenmodelle realisieren wir in unserem Labor und Technikum makroskopische als auch mikroskopische experimentelle Untersuchungen durchzuführen.

Erweiterung existierender Multiskalenmodelle im Rahmen der Kontinuumsmikromechanik für neue Generationen von Baustoffen (z.B. polymermodifizierte Betone)

coming soon

Konzeptionierung innovativer experimenteller Methoden für die Charakterisierung des elastischen und viskoelastischen Verhaltens von Baustoffen, z.B. mikromechanische Untersuchungen mit Hilfe der Nanoindentation

coming soon

Untersuchung von Einflüssen von Streuungen im Materialverhalten
und in der Prüftechnik auf Werkstoffmodellparameter

coming soon

Validierung, Verifikation und qualitative Bewertung von analytischen, numerischen und experimentellen Modellen

coming soon

Virtuelle Produkt- & Prozessoptimierung

Mit den aktuellen Entwicklungen der Industrie 4.0 wird sich die durchgehende digitale Modellierung von Wertschöpfungsketten in allen Industriebereichen durchsetzen. Neue Produktionsverfahren zur Herstellung funktionalisierter Materialien und Bauteile, die Vorhersage der Auswirkungen neuer Fertigungsverfahren auf die Werkstoff- und Produkteigenschaften sowie die adaptive Steuerung der Fertigungsprozesse, um damit bestimmte Eigenschaften der Komponenten gezielt einzustellen, verlangen nach neuen Methoden und Modellen für Prognosezwecke und zur Überwachung und Qualitätskontrolle.

Wir arbeiten an multiphysikalische Problemstellungen. Dabei nutzen wir numerische Modelle und Methoden der technischen Mechanik (Kinetik, Dynamik, Kontinuumsmechanik), der Strömungsmechanik und auf Wärme- übertragungssimulationen je nach Fragestellung.

Mehrfeld- und Multiskalensimulationsmodelle für
neue Produktionsprozesse

coming soon

Optimierungsmethoden ausgehend von Eigenschaftsforderungen an Bauteile und Produkte, die zum Design von Materialeigenschaften

coming soon

Überwachung von Bauteilen und Bauwerken

Aufgabe der Bauteil- und Bauwerksüberwachung ist die Funktionalität und die Tragfähigkeit über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten und mögliche Zustandsänderungen so früh wie möglich zu erkennen. Im Fall fortgeschrittener Schädigung oder nach Extremereignissen ist zudem die Resttragfähigkeit des Tragwerks bzw. der Wartungs- und Reparaturbedarf von Interesse.

Auf Basis vorhandener oder von uns experimentell ermittelter Parameter und Kennwerte entwickeln wir Modellen zur Überwachung von Bauteilen und Bauwerken. Wir entwickeln Lösungen zur Integration von Sensoren und Sensornetzwerken in Bauteile und Bauwerke und zu deren Einbindung in unsere Modelle und Simulationen, um darüber kontinuierlich Zustandsdaten zu erhalten, die eine Zustandskontrolle und Vorhersage ermöglichen.

Modellierungs- und Berechnungsverfahren zur Abschätzung von Bauteileigenschaften im Bereich der Bauteilfestigkeit

Eine quantitative Vorhersage des Bauteil- und Bauwerkverhaltens bedarf einer flexiblen und anpassbaren Softwareausstattung und der Eingangsgrößen für Rand- und Lastbedingungen der Modelle sowie der validierten Parameterdatensätze für die oftmals komplexen Materialgesetze. Unsere Mitarbeiter sind erfahren in der Anwendungen unterschiedlicher numerischen Prognosewerkzeuge und könne in Verbindung mit den experimentellen Möglichkeiten unser Einrichtung kundenspezifische Wünsche nach Parametersätzen für unterschieldichste Materialien erfüllen.

CT-Analyse von Bauteilen und Überführung der gewonnenen
geometrischen und strukturellen Informationen in numerische Modelle

Die Validierung von numerischen Multiskalenmodellen kann oftmals nicht nur durch exprimentelle Untersuchungen auf der Makroskala erfolgen, sondern muss das Verhalten von Werkstoffen und Bauteilen auf feinere Skalen experimentell charakterisieren können. Mit unserer Ausstattung von hochaufklösenden Mikroskopen über CT-Geräte für die Submikroskala bis hin zu Rasterelektronenmikroskopen für Auflösungen der Sub-Nano-Skala sind wir in der Lage, die notwendigen Validierungen durchzuführen und Parametersätze für die Materialgesetze auf unterschieldichen Skalen zu ermitteln.

Mechanische Simulationen

Statische und dynamische Bauteilfestigkeitsuntersuchungen
Betriebsfestigkeitsuntersuchungen
Zeit- und Dauerfestigkeitsbewertungen, Lebensdauerberechnungen
Bruchmechanische Simulationen
Mehrskalige Simulationen
Statische und dynamische Bauteilfestigkeitsuntersuchungen
Betriebsfestigkeitsuntersuchungen
Zeit- und Dauerfestigkeitsbewertungen, Lebensdauerberechnungen
Bruchmechanische Simulationen
Mehrskalige Simulationen
Statische und dynamische Bauteilfestigkeitsuntersuchungen
Betriebsfestigkeitsuntersuchungen
Zeit- und Dauerfestigkeitsbewertungen, Lebensdauerberechnungen
Bruchmechanische Simulationen
Mehrskalige Simulationen

Thermische Simulationen

Stationäre Temperaturfeldberechnung
Instationäre Wärmeübertragung
Bauphysikalische Untersuchungen und Optimierungen
Ermittlung bauphysikalischer Bauteilkennwerte
Stationäre Temperaturfeldberechnung
Instationäre Wärmeübertragung
Bauphysikalische Untersuchungen und Optimierungen
Ermittlung bauphysikalischer Bauteilkennwerte
Stationäre Temperaturfeldberechnung
Instationäre Wärmeübertragung
Bauphysikalische Untersuchungen und Optimierungen
Ermittlung bauphysikalischer Bauteilkennwerte

Multiphysikalischen Simulationen

In multiphysikalischen Simulationen werden alle oben aufgeführte Simulationsfelder gekoppelt betrachtet. Dabei bietet die Arbeitsgruppe auch Teilleistungen und Hilfestellungen im Bereich der mathematischen und numerischen Modellierung, Modellparametrisierung, Lösung des numerischen Modells sowie der Auswertung und Darstellung (Postprocessing) der Ergebnisse an. Dabei werden alle Teilgebiete der Ingenieurwissenschaften (Bauindustrie, Automotive, Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Medizintechnik usw.) und das gesamte Werkstoffspektrum von Metallen, Halbleitern, anorganisch nichtmetallischen Werkstoffen (Glas, Keramik, ..) bis hin zu organischen Werkstoffen (Holz, Kunststoffe) abgedeckt.

Unser Dienstleistungsworkflow

Wir sehen uns als Enabler zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung mit anwendungsorientierten Forschungsschwerpunkten.