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

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

Strukturen

  • CraCpit - Development of a safety cockpit for gliders
    The aim is to develop a crash retrofit solution made of composite materials for gliders. Particularly challenging is the rapid loading, which requires a non-linear viscoelastic damage model. The high complexity of the model, resulting from the high level of geometric detail. The energy dissipation and the separation of subcomponents is a particular challenge during the explicit calculation. The developed and simulated retrofit solution is validated in a large-scale test on a glider.
    Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes
    Team: Oliver Dorn, M.Sc.
    Jahr: 2018
    Förderung: Luftfahrtforschungsprogramm V-3 - Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
    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: Sander van den Broek, 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

Ermüdung

  • 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.