Schwerpunkt 49: Zuverlässigkeit im Maschinenbau

0 04.08.2020

IAM-CMS

Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau

Prof. Dr. Peter Gumbsch

Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im

Maschinenbau


KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

Schwerpunkt 49: Zuverlässigkeit im Maschinenbau

Koordinator: Prof. Dr. Peter Gumbsch, IAM-CMS

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE MATERIALIEN -- IAM-CMS

1 04.08.2020

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SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau

Für wen ist der Schwerpunkt 49 genau das Richtige?

Freude am und Erfolg im Schwerpunkt 49 sind nicht unwahrscheinlich, wenn ...

bei eher klassischer Ausrichtung

ein ausgeprägtes Interesse am und sehr gute

Vorkenntnisse in der Werkstoffkunde bestehen

TM und HM während des Bachelor-Studiums

nicht zu schlaflosen Nächten geführt haben

bei eher rechnergestützter Ausrichtung

zusätzlich großes Interesse an TM und HM besteht

Spaß am Programmieren vorhanden ist

© Jan Woitas / dpa

www.mtb-news.de/forum/t/

rahmenbruch-canyon-nerve.837040/

www.bz-berlin.de/berlin/b-z-zerlegt-den-vw-skandal-in-seine-einzelteileww

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2 04.08.2020

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Mehrstufen-Nachweiskonzept der Crashsicherheit des ICE3


Beispiel aus der Praxis

Werkstoff Sub-Struktur Bauteil

3 04.08.2020

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Lebensdauervorhersage von ferritisch-austenitischen

Rohrmischschweißverbindungen für moderne Kohlekraftwerke

4 04.08.2020

IAM-CMS



FAZ,14.10.2014

“MOL Comfort”

• Bau 2008

• 316 m Länge

• 45,6 m Breite

• 8110 Standardcontainer

• Schaden > 100 Mio €

Mögliche Ursachen

• Überladung oder falsche Verteilung von Ladung bzw. Ballastwasser

• fehlerhafte Konstruktion und Auslegung (“non robust design”)

• Versprödung des hochfesten Stahls (Res = 460 MPa) beim Schweißen



Schiffshavarie im Indischen Ozean am 17. Juni 2013

5 04.08.2020

IAM-CMS




Kernfächer

Kat. V-Nr. /TL-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut

K 2181715 / T-MACH-102139Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen

Ermüdung und Kriechen (Kernfach)

P. Gruber, P. Gumbsch2 W 4

IAM-WBM

IAM-CMS


Verformung und Bruch (Kernfach)P. Gumbsch, D. Weygand 2 W 4 IAM-CMS

E 2173562 / T-MACH-105724 Schadenskunde C. Greiner, J. Schneider 2 W 4 IAM-CMS

E 2173585 / T-MACH-105354 Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe S. Guth, K.-H. Lang 2 W 4 IAM-WK

E 2181745/ T-MACH-105310 Auslegung hochbelasteter Bauteile J. Aktaa 2 W 4 IAM-WBM

E2181731

T-MACH-105984 / -109304

Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile

und Strukturen (V + Ü)M. Farajian, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS

E 2181750 / T-MACH-105516 Plastizität auf verschiedenen Skalen K. Schulz, C. Greiner 2 W 4 IAM-CMS

E 2181710 / T-MACH-105334 Mechanik von Mikrosystemen P. Gruber, C. Greiner 2 W 4 IAM-WBM / CMS

E2181740 / 2181741

T-MACH-105308Atomistic Simulations and Molecular Dynamics (V + Ü) D. Weygand, P. Gumbsch 2 + 1 S 4 IAM-CMS

E 2182740 / T-MACH-105369 Werkstoffmodellierung: versetzungsbasierte Plastizität D. Weygand 2 S 4 IAM-CMS

E 2183703 / T-MACH-100300 Modellierung und Simulation B. Nestler 2 + 1 W/S 4 IAM-CMS

E 2183702 / T-MACH-105303 Mikrostruktursimulation A. August, B. Nestler 2 + 1 W 4 IAM-CMS

E 2181720 / T-MACH-105324 Grundlagen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik M. Kamlah 2 W 4 IAM-WBM

E2162282 / 2162257

T-MACH-105320 / -110330Einführung in die Finite-Elemente-Methode (V + Ü) T. Böhlke, T.-A. Langhoff 2 + 1 S 4 ITM

E 2181738 / T-MACH-100532 Wissenschaftliches Programmieren für Ingenieure D. Weygand, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS

E ... viele weitere Ergänzungsvorlesungen N.N. 2 S / W 4IAM / ITM /

WBK / IPEK

Empfohlenes Wahlpflichtfach

2174576 / T-MACH-100531 Systematische Werkstoffauswahl / S. Dietrich, V. Schulze (IAM-WK)

6 04.08.2020

IAM-CMS



• Kriechen

• Einführung

• Hochtemperaturplastizität

• Kriechmechanismen

• Phänomenologische Beschreibung

• Legierungseinflüsse

Kernfach

Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen

Ermüdung und Kriechen -- P. Gruber, P. Gumbsch, IAM-WBM / CMS

Konstruktionswerkstoffe sind vielseitigen Belastungen ausgesetzt,

die zu verschiedenen Ursachen und Erscheinungsformen des

Versagens von Bauteilen führen.

Inhalt

• Ermüdung,

Ermüdungsmechanismen

• Einführung

• Statistische Aspekte

• Lebensdauer

• Stadien der Ermüdung

• Materialwahl

• Thermomechanische Belastung

• Kerben und Kerbformoptimierung

• Fallbeispiel: ICE-Unglück

www.thisdayinaviation.com/28-april-1988/

© picture-alliance / dpa, Foto: Ingo Wagner

ÖAMTC Pannenhilfe 2017 © Gurtner

7 04.08.2020

IAM-CMS



Konstruktionswerkstoffe sind vielseitigen Belastungen ausgesetzt,

die zu verschiedenen Ursachen und Erscheinungsformen des

Versagens von Bauteilen führen.

Inhalt

• Einführung

• Grundlagen der Elastizitätstheorie

• Klassifizierung von Spannungen

• Versagen durch plastische Verformung

• Zugversuch, Versetzungen, Verfestigungs-

mechanismen, Dimensionierungsrichtlinien

• Verbundwerkstoffe

• Bruchmechanik

• Bruchhypothesen, linear elastische Bruch-

mechanik, Risswiderstand, experimentelle

Bestimmung der Risszähigkeit, Fehlerfest-

stellung, Risswachstum, Anwendungen

der Bruchmechanik, Atomistik des Bruchs

Kernfach

Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen

Verformung und Bruch -- D. Weygand, P. Gumbsch, IAM-CMS

Spröd-Duktil-Übergang

Crash

Experiment und Simulation

www-g.eng.cam.ac.uk/125/1925-1950/tipper3.html

www.dynamore.de/de/download/papers/forum10/papers/H-I-01.pdf/view

8 04.08.2020

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SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau -- Ergänzungsfächer

eher klassische Ausrichtung

Weitere Ergänzungsfächer nach Absprache mit dem/der Dozenten/in und

Genehmigung durch den Schwerpunktverantwortlichen Prof. Gumbsch möglich!

Kat. V.-Nr. /TL-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut




IAM-WBM

IAM-CMS



E 2173562 / T-MACH-105724 Schadenskunde C. Greiner, J. Schneider 2 W 4 IAM-CMS

E 2173585 / T-MACH-105354 Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe S. Guth, K.-H. Lang 2 W 4 IAM-WK

E 2181745/ T-MACH-105310 Auslegung hochbelasteter Bauteile J. Aktaa 2 W 4 IAM-WBM

E2181731

T-MACH-105984 / -109304

Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile

und Strukturen (V + Ü)M. Farajian, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS

E 2181750 / T-MACH-105516 Plastizität auf verschiedenen Skalen K. Schulz, C. Greiner 2 W 4 IAM-CMS

E 2181710 / T-MACH-105334 Mechanik von Mikrosystemen P. Gruber, C. Greiner 2 W 4 IAM-WBM / CMS

E 2146190 / T-MACH-105221 Konstruktiver Leichtbau A. Albers, N. Burkardt,

M. Spadinger2 S 4 IPEK

E 2149667 / T-MACH-102107 Qualitätsmanagement G. Lanza 2 W 4 WBK

E 2117061 / T-MACH-105171 Sicherheitstechnik H. Kany 2 W 4 IFL

9 04.08.2020

IAM-CMS



Inhalt

• Ziel, Ablauf und Inhalt von Schadensanalysen

• Untersuchungsmethoden

• Schadensarten

• Schäden durch mechanische Beanspruchung

• Versagen durch Korrosion in Elektrolyten

• Versagen durch thermische Beanspruchung

• Versagen durch tribologische Beanspruchung

• Grundzüge der Versagensbetrachtung

Ergänzungsfach

Schadenskunde

C. Greiner, J. Schneider, IAM-CMS

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Schwingbruchflächen unterschiedlicher Ausprägung

10 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe

S. Guth, K.-H. Lang, IAM-WK

Ziele

• Überblick über das Verformungs- und Versagensverhalten

metallischer Werkstoffe unter zyklischer Beanspruchung

• Beschreibung der grundlegenden mikrostrukturellen

Vorgänge als auch der Entwicklung makroskopischer

Schädigungen

• Erkennen von Schädigungen durch zyklische Beanspruchungen

und Bewertung des Schwingfestigkeitsverhalten zyklisch beanspruchter Bauteile

Inhalt

• Einleitung: einige „interessante“ Schadenfälle

• Prüfeinrichtungen

• Zyklisches Spannung-Dehnung-Verhalten

• Rissbildung

• Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung

• Kerbermüdung

• Betriebsfestigkeit

© IAM-WK, KIT

11 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Auslegung hochbelasteter Bauteile

J. Aktaa, IAM-WBM

Stand der Technik

• Regeln gängiger Auslegungsvorschriften:

ASME-PVP, RCC-MR, R5 (BS), KTA

• Klassische Stoffgesetze der

Elasto-Plastizität und des Kriechens

• Lebensdauerregeln für Kriechen,

Ermüdung und Kriech-Ermüdungs-

Wechselwirkung

Stand der Forschung

• Fortgeschrittene Stoffgesetze der

Thermo-Elasto-Viskoplastizität

• Kontinuumsmechanische Stoffgesetze

für die Schädigung bei hohen Temperaturen

• Einsatz fortgeschrittener Stoffgesetze bei

der Strukturanalyse von Komponenten

GP7200© Pratt & Whitney

www.rssportscars.com/galleries/2014-jaguar-lightweight-e-type-1/photo-30

techstory.in/germany-develops-nuclear-fusion-machine/

12 04.08.2020

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Ergänzungsfach

Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile und Strukturen

M. Farajian, P. Gumbsch, IAM-CMS

Inhalt

• Schweißnahtqualität

• Schadensfälle bei Schweißverbindungen

• Bewertung von Kerben, Fehlern und Eigenspannungen

• Festigkeitskonzepte

• Nenn-, Struktur-, Kerbspannungskonzepte

• Bruchmechanik

• Lebensdauerbewertung

• Maßnahmen zur Verlängerung

der Lebensdauer mittels

Nachbehandlungsverfahren

• Instandsetzung, Ertüchtigung

und Reparaturmaßnahmen

© FhG-IWM

© FhG-IWM

13 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Plastizität auf verschiedenen Skalen

K. Schulz, C. Greiner, IAM-CMS

Inhalt

• Die Studenten werden an komplexe Themengebiete der Werkstoffmechanik

herangeführt. Dies geschieht durch studentische Vorträge und Besprechung

von bedeutenden Veröffentlichungen aus dem Bereich Plastizität.

14 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Mechanik von Mikrosystemen

P. Gruber, C. Greiner, IAM-WBM / IAM-CMS

Eigenschaften

Produkt

Inhalt

Verständnis mechanischer Phänomene

in kleinen Dimensionen

Materialien und deren Eigenschaften

für Mikrosysteme

Messung mechanischer Eigenschaften

von Mikrostrukturen und -materialien

Wirkprinzipien mechanischer Sensoren

Wirkprinzipien Mikroaktoren

Testen

Wirkprinzip

15 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Konstruktiver Leichtbau

A. Albers, N. Burkardt, M. Spadinger, IPEK

Vermittlung von

Grundlagen des Leichtbaus

klassische und moderne konstruktive Leichtbaumethoden

Allgemeine Aspekte des Leichtbaus

Leichtbaustrategien und -bauweisen

Gestaltungsprinzipien

Leichtbaukonstruktion

Versteifungsmethoden

Leichtbaumaterialien

Virtuelle Produktentwicklung

Bionik

Verbindungstechnik

Validierung

Recycling

Leichtbau aus der Sicht der Praxis (Industrie-Gastdozenten)

Inh

alt

16 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Qualitätsmanagement

G. Lanza, WBK

Inhalt

Der Begriff „Qualität“

Total Quality Management (TQM) und Six-Sigma

Universelle Methoden und Werkzeuge

QM in frühen Produktphasen - Produktdefinition

QM in Produktentwicklung und Beschaffung

QM in der Produktion – Fertigungsmesstechnik

QM in der Produktion – Statistische Methoden

Qualitätsmanagementsysteme

Rechtliche Aspekte im QM

17 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Sicherheitstechnik

H.-P. Kany, IFL

Ziel

Vermittlung von Basiswissen in den Bereichen Sicherheitstechnik, Gesundheit am Arbeitsplatz

und Arbeitssicherheit in Deutschland, nationale und europäische Sicherheitsregeln sowie

Grundlagen sicherheitsgerechter Maschinenkonstruktionen

Inhalt

• Grundlagen des Arbeitsschutzes

• Sicherheitstechnisches Regelwerk

• Sicherheitstechnische Grundprinzipien

für die Konstruktion von Maschinen,

• Schutzeinrichtungen und -systeme

• Systemsicherheit mit Risikoanalysen

• Elektronik in der Sicherheitstechnik

• Sicherheitstechnik in der Lager- und Fördertechnik

• Elektrische Gefahren

• Ergonomie

schroeder-sicherheit.de

www.kargerthomas.de

© Rockwell Automation GmbH

18 04.08.2020

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eher rechnergestützte Ausrichtung “Werkstoffkunde”

Kat. V.-Nr. / TL-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut




IAM-WBM

IAM-CMS



E2181740 / 2181741

T-MACH-105308Atomistic Simulations and Molecular Dynamics (V + Ü) D. Weygand, P. Gumbsch 2 + 1 S 4 IAM-CMS

E 2182740 / T-MACH-105369 Werkstoffmodellierung: versetzungsbasierte Plastizität D. Weygand 2 S 4 IAM-CMS

E 2183702 / T-MACH-105303 Mikrostruktursimulation A. August, B. Nestler 2 + 1 W 4 IAM-CMS

E 2182732 / T-MACH-105321 Einführung in die Materialtheorie M. Kamlah 2 S 4 IAM-WBM

E 2181738 / T-MACH-100532 Wissenschaftliches Programmieren für Ingenieure D. Weygand, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS

E2182735 / 2182736

T-MACH-105390

Anwendung höherer Programmiersprachen im

Maschinenbau (V + Ü)D. Weygand 2 + 1 S 4 IAM-CMS

E 2183716 / T-MACH-105392 FEM Workshop -- Stoffgesetze D. Weygand 2 W/S 4 IAM-CMS

E 2113106 / T-MACH 105970 Strukturberechnung von Faserverbundlaminaten L. Kärger 2 WS 4 FAST

E 2114107 / T-MACH-105971Simulation der Prozesskette kontinuierlich verstärkter

FaserverbundbauteileL. Kärger 2 SS 4 FAST

E 2113110 / T-MACH-110954Leichtbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen –

Theorie und PraxisL. Kärger, W. Liebig 2 WS 4

FAST

IAM-WK



19 04.08.2020

IAM-CMS



Aim

introduction to the physical foundation of particle based

simulation methods focussing on molecular dynamics

Content

• physics of materials

• MD basics, atom-billard

• particle, position, energy, forces,

pair potentials

• initial and boundary conditions

• time integration

• algorithms

• statics, dynamics, thermodynamics

• MD output

• interaction between particles

• pair potential – multi body potentials

• principles of quantum mechanics

• tight binding methods

• dissipative particle dynamics

• application of particle based methods

deformation mechanisms

of nano-crystalline materials

Ergänzungsfach

Atomistic Simulations and Molecular Dynamics

D. Weygand, P. Gumbsch, IAM-CMS

20 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Werkstoffmodellierung: versetzungsbasierte Plastizität

D. Weygand, IAM-CMS

Ziel

Beschreiben und Verstehen des Verformungsverhaltens

aufgrund der kollektiven Versetzungsbewegung

• Elastische Felder von Versetzungen

• Abgleiten, Kristallographie

• Bewegungsgesetze von Versetzungen

in kfz und krz Materialien

• Wechselwirkung zwischen Versetzungen

• Versetzungsdynamik in 2 und 3 Dimensionen

• Kontinuumsbeschreibung von Versetzungen

• Mikrostrukturentwickung -

Gefügeentwicklung - Kornwachstum

Y

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100 nm

1µm

1mm

21 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Mikrostruktursimulation

A. August, B. Nestler, IAM-CMS

Inhalt

Grundlagen - Thermodynamik und Konstruktion von Phasendiagrammen

Grundlagen - Phasenumwandlungsprozessen (flüssig-fest und fest-fest)

Beobachtete Mikrostrukturen in Werkstoffen

Mechanismen der Gefügeausbildung

polykristalline Korngefüge

mehrphasige Mikrostrukturen

(Eutektika, Peritektika, etc.)

Wärme- und Stoffdiffusion

Phasenfeldmodellierung und -simulation

Erweiterung der Phasenfeldmodellierung

um weitere physikalische Felder

Vorlesung mit begleitender Übung / Rechnerpraktikum

3 SWS

Klausur über 90 min

22 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Einführung in die Materialtheorie

M. Kamlah, IAM-WBM

Ziel

mathematische Beschreibung des Materialverhaltens als Grundlage

für moderne Berechnungswerkzeuge

Inhalt

• Wiederholung von Grundlagen der Kontinuumsmechanik kleiner Deformationen

• Klassifizierung des Materialverhaltens von Festkörpern

• Stoffgesetze der

• Elastizität

• Viskoeleastizität

• Plastizität

• Viskoplastizität

• Mathematische Form,

Eigenschaften,

spezielle Lösungen

Werkstoffkunde für Ingenieuere, 3. Auflage 2008.

E. Roos, K. Maile© 2008 Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg

23 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Wissenschaftliches Programmieren für Ingenieure

D. Weygand, P. Gumbsch, IAM-CMS

Ziel

Vermittlung des theoretischen und praktischen Grundwissen des wissenschaftlichen Rechnens,

um die Analyse und die numerische Behandlung einer wissenschaftlichen Fragestellung

erfolgreich durchzuführen.

Anhand der Übungsaufgabe "Entwicklung einer einfachen Teilchendynamiksimulation"

werden alle Elemente eines Simulationsprogramms behandelt.

Inhalt

• Umgang mit Linux/Unix Umgebung

Login - Organisation der Daten – Dateisystem

Shellkommandos - Jobverwaltung - Editoren

• Programmiersprache C++

Aufbau des Quellcodes - Programmierung - Compilation - Debuggen

• Umgang mit Bibliotheken, Visualisierung

STL - BLAS - VTK

• Konzeption eines Programms: Partikeldynamik

• Visualisierung von Daten und Ergebnissen unter Unix

24 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Anwendung höherer Programmiersprachen im Maschinenbau

D. Weygand, IAM-CMS

Beschreibung von Materialeigenschaften, zum Beispiel in Finite Element Anwendungen,

erfordert häufig Erweiterungen in Form von Materialroutinen.

Ziel der Vorlesung ist es, eine Einführung in höhere Programmiersprachen, Skriptsprachen

und numerische Methoden zu geben, welche die Erstellung und systematische Auswertung

von entsprechenden, numerischen Fragestellungen unter UNIX/Linux ermöglichen.

Anhand vorgeschlagener Programmieraufgaben werden die Elemente der Vorlesung

praktisch in den Übungen umgesetzt.

Lernziele

• Umgang mit Linux / Unix Umgebung

Login - Organisation der Daten – Dateisystem

Shellkommandos - Jobverwaltung - Editoren

• Programmiersprache Fortran 95 / 2003

Aufbau des Quellcodes - Programmierung - Compilation - Debuggen

• Parallelisierung unter OpenMP

• Numerische Methode

• Skriptsprache: awk, Python

• Visualisierung von Daten und Ergebnissen unter Unix

25 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

FEM Workshop - Stoffgesetze

D. Weygand, IAM-CMS

Inhalt

Wiederholung theoretischer Grundlagen und

Vermittlung praxisorientierter Aspekte der

Werkstoffmodellierung

Veranstaltungsmodus

Ergänzung zu „Einfü̈hrung in die Materialtheorie“

und als Einzelveranstaltung mit den Themen

• Einführung in die FEM-Grundlagen

und grundlegende Stoffgesetzklassen

• Einführung in das Programmpaket ABAQUS

• Simulation von Zugversuchen bei elastischen

und plastischen Werkstoffeigenschaften

• Berücksichtigung zeitabhängigen Materialverhaltens

26 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Strukturberechnung von Faserverbundlaminaten

L. Kärger, FAST

Inhalt

Die Lehrveranstaltung widmet sich der Berechnung des Material- und Strukturverhaltens von FVK-Bauteilen

mit kontinuierlicher Faserverstärkung und vermittelt das dafür nötige Werkstoff- und Prozessverständnis.

• Mikromechanik und Homogenisierung des Faser-Matrix-Verbundes

• Makromechanisches Verhalten der Einzelschicht

• Verhalten des Mehrschichtverbunds

• FE-Formulierungen

• Versagenskritierien

• Schädigungsanalyse

• Auslegung von FVK-Bauteilen

27 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Simulation der Prozesskette kontinuierlich verstärkter

Faserverbundbauteile

L. Kärger, FAST

Inhalt

Die Lehrveranstaltung beschäftigt sich mit Simulationsmethoden zur Berechnung von Faserverbund-

bauteilen von der Fertigung bis zum Einsatz und vermittelt das nötige Werkstoff- und Prozessverständnis.

• Virtuelle Prozesskette (CAE-Kette)

• Drapiersimulation:

Drapierverhalten der Halbzeuge, Drapierprozess, kinematische Drapiersimulation, FE-Drapiersimulation

• Formfüllsimulation:

Grundlagen der Strömungsmechanik, Viskosität und Permeabilität, Formfüllsimulation in der CAE-Kette

• Aushärtesimulation und Verzug: Vernetzungsreaktion, Harzkinetik, Thermomechanik, Eigenspannungen, Bauteilverzug

• Struktursimulation:

Modellierung des Mehrschichtverbundes, Einfluss von Fertigungseffekten auf das Bauteilverhalten

28 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Leichtbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen - Theorie und Praxis

L. Kärger, W. Liebig, FAST / IAM-WK

Inhalt

Ein gemeinsames Lehrkonzept des FAST-LBT und IAM-WK bringt den Studierenden Theorie und Praxis in

Bezug auf Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen näher. Die Studierenden werden in kleinen Gruppen

(max. 4 Personen) mit einer Ingenieuraufgabe im Leichtbaukontext konfrontiert, z.B. der Auslegung eines

möglichst tragfähigen Biegebalkens mit Bauraum- und Gewichtsbeschränkung. Zur Lösung des Problems

werden verschiedene Materialen (Fasern, Harze, Schäume, etc.) und die notwendigen Materialdaten zur

Verfügung gestellt, welche beliebig kombiniert werden können.

• Grundlagen Leichtbaustrategien

• Grundlagen Faser-Verbund-Kunststoffe

• Grundlagen FEM-Simulation

mit nicht-isotropen Multimaterialsystemen

• Simulative Bauteilbetrachtung

• Fertigung von Faser-Verbund-Kunststoffen

• Mechanische Prüfung

www.murtfeldt.de/produkte/kunststoffe/faserverbundwerkstoffe/

29 04.08.2020

IAM-CMS




eher rechnergestützte Ausrichtung “Technische Mechanik”

Kat. V.-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut




IAM-WBM

IAM-CMS



E 2181720 / T-MACH-105324 Grundlagen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik M. Kamlah 2 W 4 IAM-WBM

E2161254 / 2161255

T-MACH-110375 / -110376Mathematische Methoden der Kontinuumsmechanik T. Böhlke 2 + 2 W 4 ITM

E2162280

T-MACH-110378 / -110379Mathematische Methoden der Mikromechanik T. Böhlke 2 +1 S 4 ITM

E2161252

T-MACH-110377 / -110333Kontinuumsmechanik der Festkörper und Fluide T. Böhlke, B. Frohnapfel 2 + 1 W 4 ITM, ISTM

E2162282 / 2162257

T-MACH-105320 / -110330Einführung in die Finite-Elemente-Methode (V + Ü) T. Böhlke, T.-A. Langhoff 2 + 1 S 4 ITM

E 2182731 / T-MACH-105417 Finite-Elemente Workshop I. Tesari, C. Mattheck, D. Weygand 2 S 4 IAM-WBM / CMS



30 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Grundlagen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik

M. Kamlah, IAM-WBM

Ziel

Einführung in die Kontinuumsmechanik als allgemeiner Rahmen

für multiphysikalische Kontinuumstheorien

Inhalt

• Mathematische Grundlagen: Tensoralgebra und -analysis

• Kinematik

• Materielle Körper und Bewegung

• Deformation, Verzerrung

• Geometrische Linearisierung

• Bilanzgleichungen

• Transporttheoreme, Allgemeine Struktur einer Bilanzrelation

• Bilanzrelationen der Kontinuumsmechanik

• Bilanzrelationen der Thermodynamik

• Spezielle Theorien der Kontinuumsmechanik

31 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Mathematische Methoden der Kontinuumsmechanik

T. Böhlke, ITM

Ziel

systematische Darstellung der mathematischen

Grundlagen und Methoden der Festigkeitslehre

Inhalt

• Tensoralgebra

• Vektoren; Basistransformation; dyadisches Produkt; Tensoren 2. Stufe

• Eigenschaften von Tensoren 2. Stufe: Symmetrie, Antimetrie, Orthogonalität etc.

• Eigenwertproblem, Theorem von Cayley-Hamilton, Invarianten; Tensoren höherer Stufe

• Tensoralgebra und -analysis in schiefwinkligen und krummlinigen Koordinatensystemen

• Differentiation von Tensorfunktionen

• Anwendungen der Tensorrechnung in der Festigkeitslehre

• Kinematik infinitesimaler und finiter Deformationen

• Transporttheorem, Bilanzgleichungen, Spannungstensor

• Materialgleichungen für Festkörper und Fluide

• Formulierung von Anfangs-Randwertproblemen

32 04.08.2020

IAM-CMS



Ergänzungsfach

Mathematische Methoden der Mikromechanik

T. Böhlke, ITM

Ziel

Einführung in die grundlegenden Prinzipien der Variationsrechnung und die

Variationsprinzipien der Mechanik sowie in die Homogenisierungsmethoden

zur Beschreibung von Werkstoffen mit Mikrostruktur

Inhalt

• Grundlagen der Variationsrechnung

• Funktionale; Frechet-Differential; Gateaux-Differential; Extremwertprobleme; Grundlemma der

Variationsrechnung und Lagrange’scher Delta-Prozess; Euler-Lagrange-Gleichungen

• Anwendungen: Prinzipien der Kontinuumsmechanik

• Variationsprinzipien der Mechanik; Variationsformulierung des Randwertproblems der Elastostatik;

Verfahren von Ritz; Finite-Element-Methode

• Anwendungen: Homogenisierungsmethoden für Werkstoffe mit Mikrostruktur

• Mesoskopische und makroskopische Spannungs- und Dehnungsmaße

• Homogenisierung elastischer Werkstoffeigenschaften I:

Elementare Schranken nach Voigt und Reuss; Hashin-Shtrikman-Schranken

• Homogenisierung elastischer Werkstoffeigenschaften II:

Abschätzungen effektiver elastischer Eigenschaften

33 04.08.2020

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Ergänzungsfach

Kontinuumsmechanik der Festkörper und Fluide

T. Böhlke, B. Frohnapfel, ITM / ISTM

In der Vorlesung wird eine kompakte Einführung in die Kontinuums-

mechanik der Festkörper und Fluide gegeben. Die Einführung

schließt eine Behandlung der Kinematik deformierbarer Körper,

der Bilanzgleichungen der Mechanik und Thermodynamik sowie

eine einfache Materialtheorie ein.

In Fallstudien und im begleitenden Rechnerpraktikum werden

Lösungen der verschiedenen Materialmodelle mit besonderem

Fokus auf die Unterschiede und die Gemeinsamkeiten von

Festkörpern und Fluiden sowie thermomechanische

Kopplungen diskutiert.

Inhalt

• Einführung in die Tensorrechnung

• Kinematik

• Bilanzgleichungen der Mechanik und Thermodynamik

• Materialtheorie der Festkörper und Fluide

• Feldgleichungen für Festkörper und Fluide

• Thermomechanische Kopplungen

• Dimensionsanalyse

34 04.08.2020

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Simulation eines Tiefziehversuchs

mit einem anisotropen Material

Ziel

einführende Darstellung der Finite-Element-Methode (FEM)

zur Vorbereitung auf eine Tätigkeit in Berechnungs- bzw.

Konstruktionsabteilungen

Inhalt

• Einführung, Motivation, Elemente der Tensorrechnung

• Diskrete FEM: Stab- und Federsysteme

• Formulierung eines Randwertproblems (1D)

• Approximationsansätze in der FEM

• FEM für skalare und vektorwertige Feldprobleme

• Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme

Ergänzungsfach

Einführung in die Finite-Element-Methode

T. Böhlke, T.-A. Langhoff, ITM

35 04.08.2020

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Ergänzungsfach

Finite-Element-Workshop

I. Tesari, C. Mattheck, D. Weygand, IAM-WBM / CMS

Ziel

• Durchführung von Spannungsanalysen für einfach Bauteile

mit Hilfe der kommerziellen Finite Element Software ANSYS

• Optimierung der Gestalt von Bauteilen hinsichtlich der Spannungsverteilung

mit Hilfe der Methode der Zugdreiecke

Inhalt

• Finite Element Methode

Modellierung, Analyse, Post-Processing

• Kerbspannungen

Spannungsanalysen an

Bauteilkonkavitäten (Kerben)

• Methode der Zugdreiecke

Kerbformoptimierung mit

der Zugdreieckmethode

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Schwerpunkt 49: Zuverlässigkeit im Maschinenbau