Forschung
Abteilung Verbunde

Forschungsschwerpunkte in der Abteilung Verbunde

© FBG / C. Bierwagen
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Die wissenschaftlichen Arbeiten in der Abteilung Verbunde gliedern sich in die folgenden Hauptforschungsfelder:

Materialmodellierung und Nanoverbundwerkstoffe

Ein erstes Thema in dieser Arbeitsgruppe betrifft die Entwicklung von Materialgesetzen und Versagensmodellen für Faserverbunde und deren Anwendung in der Analyse  von  Material- und Verbindungsversagen von Verbundstrukturen und geschichteten Strukturen.  Ein zweites Thema bildet die Computergestützte Materialentwicklung mittels atomistischen Simulationsmethoden.  Analyse auf  unterschiedlichen Skalen und Mehrskalenanalyse sind relevante Aspekte  in dieser Arbeitsgruppe.

Stabilität, Dynamik und Ermüdung

Diese Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Stabilitätsanalyse und der dynamischen  Analyse von schlanken und dünnwandigen Strukturen.  Ein zweites Thema ist die Ermüdungsanalyse von Faserverbundstrukturen. Wichtige Aspekte in dieser Arbeitsgruppe  sind probabilistische Analyse und Modellreduktion.

AKTUELLE FORSCHUNGSPROJEKTE

Materialmodellierung

  • Virtual Materials and their Validation: German-French School of Computational Engineering (ViVaCE)
    Versagensmechanismen im Druckbereich von unidirektionalen Faserverbundwerkstoffen wurden in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht. Dabei wurde die entscheidende Rolle von Faserfehlausrichtungen erkannt. Da die Druckfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen durch stochastische Faserfehlausrichtungen bestimmt wird, ist es notwendig, deren Auswirkung auf die Festigkeitswerte im Druckbereich zu charakterisieren. Das Projekt soll in dieser Hinsicht einen Beitrag leisten. Eine probabilistische Definition der Versagensfläche, basierend auf Imperfektionen auf Mikroebene und anschließende experimentelle Validierung sind die Hauptziele des Projekts. Dies würde zu einer besseren Abbildung der Materialeigenschaften auf makroskopischen Skalen führen.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Nabeel Safdar, M.Sc., Benedikt Daum, Dipl.-Ing. Dr.
    Jahr: 2016
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft – DFG (International Research and Training Group IRTG1627)
    Laufzeit: 01.12.2016 – 30.09.2019
  • Entwicklung und Validierung einer virtuellen Prozesskette für Faserverbundbauteile unter Berücksichtigung von Imperfektionen am Beispiel einer Rotorblattkomponente (Prosim R). Hall
    Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen die wesentlichen Teile der Prozesskette bei der Herstellung eines Rotorblattes numerisch simuliert und grundlegend untersucht werden. Übergeordnetes Ziel ist dabei die Reduzierung von Fehlern bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mittels einer durchgängigen Prozesssimulation (Fertigungssimulation und strukturmechanische Simulation). Um eine Aussage über das Materialverhalten sowie das progressive Versagen zu erhalten, wird am ISD die sequenzielle Multiskalenanalyse um die Berücksichtigung der Imperfektionen erweitert. Die Ergebnisse der durchgeführten Drapier- und Harzflusssimulation stellen dabei die Eingangsinformationen dar.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Gerrit Gottlieb, M.Sc., Benedikt Daum, Dipl.-Ing. Dr.
    Jahr: 2017
    Förderung: Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329147126
    Laufzeit: 01.08.2017 – 31.07.2020
  • Modellierung und Simulation des Ermüdungsschädigungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen unter variabler zyklischer Blockbeanspruchung
    Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist die Erweiterung und Anwendung eines progressiven Ermüdungsschädigungsmodells für unidirektionale mehrschichtige Faser-Kunststoff-Verbunde zur Schädigungsanalyse unter variablen zyklischen Blockbeanspruchungsmustern. Der Fokus liegt dabei auf der Erarbeitung von Schädigungsevolutionsgesetzen zur präzisen Voraussage der Degradation von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in Abhängigkeit der Lastrichtung und des Spannungsniveaus. Neben dem Einfluss von Lastreihenfolgeeffekten, sollen insbesondere die Auswirkungen von passiven Schädigungseffekten, die unter kombinierter zyklischer Zug- und Druckbeanspruchung auftreten, berücksichtigt werden. Das erweiterte Ermüdungsschädigungsmodell soll abschließend an einem Rumpfstruktursegment eines zukünftigen Passagierflugzeugs zur Ermüdungsanalyse eingesetzt werden.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: M.Sc. Martin Brod
    Jahr: 2020
    Förderung: Internes Projekt
    Laufzeit: seit 2020

Nanoverbundwerkstoffe

  • Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau (FOR2021)
    Das Ziel des Projektes besteht in der Erarbeitung eines vertieften Verständnisses der Wirkmechanismen von nanoskaligen Zusätzen in duromeren Matrizes endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe im Hinblick auf verbesserte matrixdominierte Verbundeigenschaften. Insbesondere wird ein sequentielles Multiskalen-Simulationsschema für die Vorhersage von mechanischen Eigenschaften entwickelt, dass von der Partikel-Matrix-Interaktion auf der Nanoebene bis zu faserverstärkten Materialein auf der Mikro-/Mesoebene reicht. Die Finite Elemente Methode und atomistische Simulationen auf Basis der Molekulardynamischen Finite Elemente Methode (MDFEM) werden kombiniert.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Atiyeh Mousavi, M.Sc., Johannes Fankhänel, Dipl.-Ing.
    Jahr: 2017
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    Laufzeit: 01.07.2017 – 31.10.2020
  • Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau (HANNAH)
    Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Christian Gerendt, M. Sc., Betim Bahtiri, M. Sc., Behrouz Arash, Dr. Ing.
    Jahr: 2019
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
    Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022

Strukturen

  • Entwicklung eines Sicherheitscockpits für Segelflugzeuge (CraCpit)
    Ziel ist es, eine Crash-Nachrüstlösung aus Verbundwerkstoffen für Segelflugzeuge zu entwickeln. Eine besondere Herausforderung ist die schnelle Belastung, die ein nichtlineares viskoelastisches Schadensmodell erfordert. Die hohe Komplexität des Modells, die sich aus dem hohen geometrischen Detaillierungsgrad ergibt kommt erschwerend hinzu. Eine besondere Herausforderung bei der expliziten Berechnung stellt die Energiedissipation und die Trennung von Teilkomponenten dar. Die entwickelte und simulierte Nachrüstlösung wird in einem Großversuch an einem Segelflugzeug validiert.
    Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes
    Team: Oliver Dorn, M.Sc., Dr.-Ing. Sven Scheffler
    Jahr: 2017
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – 20E1703D
    Laufzeit: 2018-2021
  • Improved structural performance through the use of random field analysis
    The research performed within this project uses the effect of random variations in structure’s geometry and/or material to get information on local sensitivity of structures to deviations from their baseline value. This information cannot only be useful in quality assurance, by finding areas most sensitive to deviations, but can also be used to improve the design. This approach can load to an increase in structural parameters such as buckling load, fatigue life and others.
    Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes
    Team: Muzzamil Tariq, M.Sc.
    Jahr: 2019
    Förderung: SE²A excellence, Cluster of DFG
    Laufzeit: 2019-2022
  • Multistable Morphing Structures using Variable Stiffness Composites
    The research project aims at developing multistable structures with morphing capabilities. A variable stiffness composite is used which allows stiffness tailoring with much larger design space. The developed semi analytical method is validated well within a Finite element framework. In this work, the concept of static, smart and dynamic actuations are exploited on bistable laminates to reduce the snap-through requirements.
    Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes
    Team: Anilkumar P M Nair, M.Tech.
    Jahr: 2019
    Förderung: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
    Laufzeit: 2019-2021
  • FANFOLD – Schnelle maschinell angelernte nichtlineare Rotorblattanalyse
    Konstruktionen aus Faser-Kunstoff-Verbunden sind vornehmlich leicht und dünnwandig. Unterschiedliche Halbzeuge (Materialien, Webarbeiten etc.) geben dem Konstrukteur eine Vielzahl an Möglichkeiten. Somit kann ein Bauteil bedarfs- bzw. beanspruchungsgerecht dimensioniert und hergestellt werden. Doch eben diese Dimensionierung setzt eine aufwendige Ermittlung der Materialparameter der unidirektionalen Einzelschicht voraus. Sind die Festigkeiten und Steifigkeiten zu gering, wird die Struktur zu schwer, sind diese zu hoch können kann dies in einem Versagen der Struktur enden. In einem neuartigen Ansatz soll durch maschinelles Lernen die Stuktureigenschaften des Laminates vorhergesagt werden. Durch ein Orthotropes Schädigungsmodell soll eine schnelle nichtlineare Rechnung realisiert werden. Ziel ist hier die Verkürzung der Rechen und Entwicklungszeit.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Oliver Dorn, M.Sc., Dr.-Ing. Sven Scheffler
    Jahr: 2020
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – FKZ 03EE3028A
    Laufzeit: 2020 –2023

Ermüdung

  • Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau (HANNAH)
    Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Christian Gerendt, M. Sc., Betim Bahtiri, M. Sc., Behrouz Arash, Dr. Ing.
    Jahr: 2019
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
    Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
  • Global-local thermomechanical analysis of fracture in polycrystalline silicon shells using a phase-field approach.
    Abstract: The existing works in the literature addressing damage events in PV-Modules have different drawbacks and needs for improvements. On the one hand, the lack of a computationally efficient multiscale-based framework to model progressive failure in PSWs is observed. Furthermore, a coupled thermomechanical phase-field modeling framework for shells based on the geometrically nonlinear theory which takes into account the anisotropy effects as well as the presence of residual stresses is not yet available. Thus, the present proposal aims at covering these shortcomings in a unified way and at modeling progressive failure at both the micro- and macroscale by developing a theoretically robust and computationally efficient framework. This project is carried out in a close collaboration with the Institute of Applied Mechanics of the Technische Universität Braunschweig.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Muzzamil Tariq, M.Sc.
    Jahr: 2020
    Förderung: DFG, German Research Foundation
    Laufzeit: Muzzamil Tariq, M.Sc.
  • Modellierung und Simulation des Ermüdungsschädigungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen unter variabler zyklischer Blockbeanspruchung
    Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist die Erweiterung und Anwendung eines progressiven Ermüdungsschädigungsmodells für unidirektionale mehrschichtige Faser-Kunststoff-Verbunde zur Schädigungsanalyse unter variablen zyklischen Blockbeanspruchungsmustern. Der Fokus liegt dabei auf der Erarbeitung von Schädigungsevolutionsgesetzen zur präzisen Voraussage der Degradation von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in Abhängigkeit der Lastrichtung und des Spannungsniveaus. Neben dem Einfluss von Lastreihenfolgeeffekten, sollen insbesondere die Auswirkungen von passiven Schädigungseffekten, die unter kombinierter zyklischer Zug- und Druckbeanspruchung auftreten, berücksichtigt werden. Das erweiterte Ermüdungsschädigungsmodell soll abschließend an einem Rumpfstruktursegment eines zukünftigen Passagierflugzeugs zur Ermüdungsanalyse eingesetzt werden.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: M.Sc. Martin Brod
    Jahr: 2020
    Förderung: Internes Projekt
    Laufzeit: seit 2020