In diesem Arbeitsgebiet werden hauptsächlich drei Fragestellungen behandelt. Die erste beinhaltet die numerische Berechnung mikroskopischen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens und effektiver Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen oder porösen ­Materialien. Dazu werden Homogenisierungsverfah­ren eingesetzt, die unter Berücksichti­gung der Mikrostruktur sowie der unterschiedlichen Materialgesetze die ­Berechnung von mittleren ­elastischen, viskoelastischen und plastischen Materialeigenschaften sowie von freier Temperatur-Verzerrung, freier Schwel­lung oder freiem Schwund ermöglichen. Die zweite Fragestellung betrifft Kontaktprobleme mit mikrorauen Oberflächen, die ebenfalls mit Homogenisie­rungsmethoden behandelt werden können. Schließlich werden im ­dritten Fragekomplex zeitliche Prozesse für Verbundbauteile betrachtet, deren Makrofestigkeit und Lebensdauer unter Ermüdung, Kriechen, schlagartiger Belas­tung und Verschleiß untersucht werden.

Homogenisierungstechniken werden angewandt, wenn der Verbundwerkstoff stark differierende ­Größenskalen aufweist. Eine direkte Berechnung von Eigenschaften und Effekten auf der Makroskala ist in diesem Fall wegen des enormen Aufwands zur Berücksichtigung der Mikrostruktur kaum möglich. Bei der hier verwendeten Homogenisierungstechnik wird das Gesamtproblem asymptotisch bezüglich des Längenverhältnisses der Mikro- zur Makroskala entwickelt. Dies führt im Limes auf ein äquivalentes homogenes Problem, dass nur noch mittlere, effektive Eigenschaften enthält. Die Lösung dieses homogenisierten Problems stellt dann eine Approximation der exakten Lösung dar.

Gegenüber anderen einfacheren Mittelungsverfahren wie selbstkonsistente Methoden nach Hashin und Eshelby, die nur auf spezielle Geometrie­typen angewandt werden können, haben asymptotische Homogenisierungstechniken den wesentlichen Vorteil, auf beliebige Mikrostrukturen und viele verschiedene Materialgesetze anwendbar zu sein.

Projekte

• Software FiberFEM

  

  Im Fokus dieser Forschung und Entwicklung steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Textilien und Fasermaterialien mit heterogener Mikrostruktur unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwischen den einzelnen Fäden. Das Problem wird dabei durch die unterschiedlichen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist.

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• AIF-Projekt

  

  Produkte aus dem Werkstoff Leder sind im praktischen Gebrauch vielfältigen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Im konkreten Einsatzfall Leder-Sitzfläche im Auto oder auf Polstermöbel mit Lederbezug treten mehrere typische Belastungen auf wie z. B. Flächendruck, Wölbdehnung und Verschleiß durch Reibung.

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• Multiskalige Simulation für die Planung von zementfreien Knieprothesen

  

  Knieprothesen werden bei fortgeschrittenem Verschleiß oder bei hochgradiger Zerstörung der Gelenkflächen als künstliches Kniegelenk eingesetzt. Da die Knochen der Patienten unterschiedlich groß sind und eine unterschiedliche innere Struktur besitzen, muss der Chirurg für jeden Patienten einen geeigneten Prothesentyp auswählen.

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Kompetenzen

• Homogenisierungsverfahren für Verbundwerkstoffe
• Modellierung von konstitutiven Gesetzen für viskoelastische und elastoplastische Materialien
• mechanische Kontaktprobleme
• Lebensdaueranalyse
• FE basierte Algorithmen und Simulationen
• Sensitivitätsanalyse