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Projektgruppe 2 - Forschungsgebiete

P2: Entwurf, Konstruktion und Modellierung von hybriden Strukturen

P2.1 Komplexitätsmanagement zur Unterstützung des Leichtbaus

Leichtbau bezeichnet das Streben nach leichtgewichtigen Produkten, indem Strukturen optimal auf Belastungssituationen ausgelegt werden. Die Definition eines solchen Optimums beruht auf komplexen Anwendungssituationen und impliziert Komplexität: komplexe Strukturen in dem zu entwickelnden System und komplexe Anforderungen in der Produktentwicklung. Entwickler von Leichtbausystemen müssen zahlreiche Randbedingungen berücksichtigen, die teilweise widersprüchliche Gestaltungsräume ermöglichen. So können Anforderungen hinsichtlich möglichst hoher Sicherheit und möglichst hoher Gewichtseinsparung konfliktär wirken und die Komplexität des Entstehungsprozesses von Leichtbausystemen zusätzlich erhöhen. Des Weiteren müssen für Leichtbau mehreren Disziplinen zusammenwirken, wie zum Beispiel Maschinenbau, Mathematik und Informatik. Angesichts des multidisziplinären Hintergrunds spielen Koordination und synergetisches Zusammenwirken der Disziplinen eine zentrale Rolle. Um diese durch den Leichtbau hervorgerufene Komplexität des Systems und des Entstehungsprozesses beherrschen zu können, ist die Entwicklung geeigneter Methoden erforderlich. Sie müssen Unterstützung entlang des gesamten Produktentstehungsprozesses von der strategischen Planung bis zu späten Phasen des Produktlebenszyklus bieten. Dieses Promotionsvorhaben soll dazu dienen, Komplexität zu charakterisieren, in verschiedenen Disziplinen geprägte Ansätze des Komplexitätsmanagements hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zu analysieren und eine systemische interdisziplinäre Unterstützung für die  Gestaltung von Leichtbau-Produkte bereitzustellen.

Projektleiterin: Prof. Dr. Gräßler

P2.2 Stochastische Finite Element Methode für hybride Systeme

In vielen FE-Anwendungen herrscht häufig Unsicherheit bezüglich der Materialparameter des Simulationsmodells. Hieraus ergibt sich eine Unsicherheit in der Systemantwort und somit in der numerischen Simulation. Die stochastische Methode bietet eine Möglichkeit zur Quantifizierung dieser Unsicherheit. Hierbei beschreiben stochastische Felder die unsicheren Systemparameter. Dies bedeutet, dass die Lösung für ein mechanisches Randwertproblem mit der Stochastischen-Finite-Element-Methode (SFEM) erfolgt. Bei hybriden Strukturen handelt es sich um einen Verbund von z. B. Metallen und Prepregs (preimpregnated fibres). Für Metalle ist die Anzahl der Einflussgrößen für Unsicherheiten in Folge der Herstellung überschaubar. Bei den Prepregs gibt es hingegen mehrere Einflussgrößen, die einer Verteilung unterliegen. Die Wichtigsten sind die Aushärtung der Matrix, die Ausrichtung der Fasern und die Volumenanteile der Fasern. Bei der Kombination zu einem Hybridbauteil haben dann weitere Faktoren, wie z.B. die Verbindung der einzelnen Komponenten oder auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Einfluss. Die finalen Eigenschaften des Verbundes können aufgrund der Fülle von Randparametern daher nur schwer durch experimentelle Daten sicher bestimmt werden. Daher ist das wesentliche Ziel, die statistische Verteilung der Materialparameter zu bestimmen und in der FE-Simulation zu berücksichtigen.

Projektleiter: Prof. Dr. Mahnken

P2.3 Identifikation und Konzeptionierung potentieller Hybridstrukturen für Leichtbau-Konstruktionen unter Berücksichtigung von Life Cycle Assessments

Als Weiterentwicklung des Multimaterial-Designs zeigt die Hybridbauweise neue Leichtbaupotentiale im Automobil auf. Gerade im Strukturbereich werden vermehrt Bauteile im Materialverbund aus Metall und FVK eingesetzt. Zur vollständigen Ausschöpfung des Potentials ist ein effizienter Einsatz verschiedener Werkstoffe gemäß ihrer spezifischen Eigenschaften und den anliegenden Beanspruchungen unerlässlich. Faserverbundwerkstoffe mit Endlosfasern eignen sich beispielsweise hervorragend um unidirektionale Spannungen zu übertragen, weisen jedoch unter mehrachsiger Belastung deutliche Nachteile gegenüber einem isotropen Werkstoff auf. Entsprechend muss der Konzeptionierung von Hybridbauteilen zunächst eine Identifikation potentieller Bauteile anhand der auftretenden Beanspruchungen durchgeführt werden. Weiterhin gilt für die Auslegung des Bauteils der Leichtbau-Grundgedanke "der richtige Werkstoff am richtigen Ort". Zur Wahl des am besten geeigneten Werkstoffes gehört allerdings auch eine Betrachtung sekundärer Materialeigenschaften. Dies beinhaltet sowohl ökonomische als auch ökologische Aspekte. "Life Cycle Assessment" bezeichnet die systematische Analyse eines Bauteils unter Beurteilung der Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus. Diese sogenannte Ökobilanz soll genutzt werden, um die Identifikation zukunftsorientierter Werkstoffe und Werkstoffkombinationen zu ermöglichen.

Projektleiter: Prof. Dr. Tröster

The University for the Information Society