abgeschlossene Forschungsprojekte
Die Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit von Tragstrukturen ist für die Mobilität und regenerative Energie aus technischer als auch wirtschaftlicher Sicht von zentraler Bedeutung. Entsprechend kommen dem Verständnis des Struktur- und Materialverhaltens unter unterschiedlicher Umwelteinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit etc.) sowie der Prognosefähigkeit von Schäden Schlüsselrollen bei der Entwicklung leichter Bauteile, zuverlässiger Anlagen und der Erzielung geringer Stromgestehungskosten zu. Dabei sind physikalisch motivierte numerische Simulationsmodelle ein wesentlicher Bestandteil des Entwicklungsprozesses von nachhaltigen Tragstrukturen. Um die Effizienz der Simulationsmodelle zu erhöhen und somit den Anwendungsbereich zu erweitern, werden Reduktionsmethoden und maschinelles Lernen herangezogen. Die Abteilung Verbunde vereint die Begriffe Nachhaltigkeit, Nutzungsdauer und Methodeneffizienz. Die wissenschaftlichen Arbeiten gliedern sich in die folgenden Hauptforschungsfelder:
Faserverbund-Materialien
Die Forschungsgruppe für Faserverbund-Materialien widmet sich dem Ziel, die Grenzen des theoretischen Wissens und der praktischen Anwendung im Bereich heterogener und anisotroper Materialien zu erweitern. Wir legen einen starken Fokus sowohl auf synthetische als auch natürliche Verbundwerkstoffe, und unsere Arbeit umfasst unterschiedliche Aspekte der Materialwissenschaft. Wir nutzen modernste rechnergestützte und experimentelle Ansätze, um diese Materialien umfassend zu erforschen.
Der Forschungsansatz der Gruppe ist ganzheitlich und deckt ein breites Spektrum an Themen ab, einschließlich Multiphysik-Modellierung und -Simulation, konstitutive Modellierung, Multiskalenmodellierung, Fehleranalyse und Bewertung von Ermüdungsschäden, Integration von maschinellem Lernen und Materialcharakterisierung - stets mit dem konsequenten Blick auf Nachhaltigkeit und die effiziente Nutzung von Materialien und Ressourcen.
Faserverbund-Strukturen
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
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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 RolfesTeam:Jahr: 2016Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft – DFG (International Research and Training Group IRTG1627)Laufzeit: 01.12.2016 – 30.09.2019
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Entwicklung und Validierung einer virtuellen Prozesskette für Faserverbundbauteile unter Berücksichtigung von Imperfektionen am Beispiel einer Rotorblattkomponente (Prosim R). HallIm 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 RolfesTeam:Jahr: 2017Förderung: Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329147126Laufzeit: 01.08.2017 – 31.07.2020
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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 RolfesTeam:Jahr: 2019Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
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Modellierung und Simulation des Ermüdungsschädigungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen unter variabler zyklischer BlockbeanspruchungGegenstand 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 RolfesTeam:Jahr: 2020Förderung: Internes ProjektLaufzeit: seit 2020
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Abstrakte Modellierung der nichtlinearen mechanischen Verhalte von Verbindungen in faserverstärkten VerbundwerkstoffenIn der Luftfahrt-, Automobil- und Windturbinenindustrie gibt es große Verbundstrukturen, die mit Tausenden von mechanischen Verbindungen oder Klebstoffen verbunden sind. Für den effizienten Bau solcher Verbundstrukturen ist es wichtig, das Verhalten solcher Verbundverbindungen zu bewerten, das aufgrund der auftretenden Nichtlinearitäten und unterschiedlicher Versagensmodi normalerweise sehr komplex ist. Eine genaue Simulation von Verbundverbindungen unter Verwendung detaillierter Modelle liefert eine gute Schätzung des Verbindungsverhaltens und seiner Versagenseigenschaften, geht jedoch auf Kosten der Rechenzeit. Das Projekt zielt darauf ab, den Rechenaufwand für die Simulation von Verbundverbindungen zu reduzieren, indem ein abstraktes Modell mit reduzierten Freiheitsgraden entwickelt wird. Die Reduzierung der Freiheitsgrade des Modells wird durch die Verwendung von Strukturelementen wie Schalen und Balken angestrebt. Das Projekt zielt darauf ab, ein Modell zu erstellen, das das Verhalten des Gelenks im endlichen Dehnungsbereich erfasst, sodass die Anisotropie des Verbundmaterials und verschiedene Nichtlinearitäten wie Plastizität, Schädigung, Kontakt, Reibung etc. effizient simuliert werden können.Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2022Förderung: DFG, German Research FoundationLaufzeit: 01.07.2022-30.06.2025
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Funktionalisierte, multiphysikalisch optimierte Klebstoffsysteme für die inhärente Strukturüberwachung von Rotorblättern (Func2Ad)Die Performance und Zuverlässigkeit des Rotorblattes ist entscheidend für die Effizienz einer Windenergieanlage über ihren gesamten Lebenszyklus. Die Blätter machen einen Großteil der Anlagenkosten aus – Ihre Herstellungs- und Wartungskosten sind vergleichsweise hoch. Die Klebetechnik im Rotorblatt ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzielung von Wettbewerbsvorteilen in der Windbranche. Die Verarbeitungs- und Härteeigenschaften (Prozessierbarkeit) der Klebstoffe sowie ihre Betriebsfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) im ausgehärteten Zustand sind zwei wesentliche Stellschrauben in Bezug auf die Anlagenökonomie bzw. die Rendite. Eine Dritte würde die Ferndiagnose der Klebeverbindungen des Rotorblattes darstellen. Das hier vorgeschlagene Forschungsprojekt zu partikelmodifizierten Klebesystemen für die Windbranche setzt an den genannten drei Punkten an. Eine Haupinnovation ist dabei die Funktionalisierung des Klebeharzes durch Partikelmodifikation zur Realisierung eines den Klebeverbindungen am Rotorblatt inhärenten Strukturüberwachungssystems. Dies soll durch die Modifikation der elektrischen Eigenschaften des Klebeharzes geschehen. Gleichzeitig sollen auch die Prozessierbarkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Klebstoffes durch die Modifikation positiv beeinflusst werden. Wird das modifizierte Harzsystems nur für einen der drei genannten Aspekte optimiert, besteht die Gefahr einer schlechten Performance bzgl. der anderen. Die physikalischen Eigenschaften des Klebstoffes dürfen daher für die drei Anforderungsbereiche nicht getrennt, sondern müssen in ihrem Zusammenspiel und ihren Wechselbeziehungen gemeinsam betrachtet und optimiert werden. Um diese Optimierung und die Erhöhung der Effizienz der multiphysikalischen Materialmodelle werden innerhalb der Simulationsumgebung Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt.Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2023Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, FKZ 03EE3069 A-FLaufzeit: 01.01.2023-31.12.2025
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Nanoverbundwerkstoffe
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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 RolfesTeam:Jahr: 2017Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)Laufzeit: 01.07.2017 – 31.10.2020
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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 RolfesTeam:Jahr: 2019Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
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Funktionalisierte, multiphysikalisch optimierte Klebstoffsysteme für die inhärente Strukturüberwachung von Rotorblättern (Func2Ad)Die Performance und Zuverlässigkeit des Rotorblattes ist entscheidend für die Effizienz einer Windenergieanlage über ihren gesamten Lebenszyklus. Die Blätter machen einen Großteil der Anlagenkosten aus – Ihre Herstellungs- und Wartungskosten sind vergleichsweise hoch. Die Klebetechnik im Rotorblatt ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzielung von Wettbewerbsvorteilen in der Windbranche. Die Verarbeitungs- und Härteeigenschaften (Prozessierbarkeit) der Klebstoffe sowie ihre Betriebsfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) im ausgehärteten Zustand sind zwei wesentliche Stellschrauben in Bezug auf die Anlagenökonomie bzw. die Rendite. Eine Dritte würde die Ferndiagnose der Klebeverbindungen des Rotorblattes darstellen. Das hier vorgeschlagene Forschungsprojekt zu partikelmodifizierten Klebesystemen für die Windbranche setzt an den genannten drei Punkten an. Eine Haupinnovation ist dabei die Funktionalisierung des Klebeharzes durch Partikelmodifikation zur Realisierung eines den Klebeverbindungen am Rotorblatt inhärenten Strukturüberwachungssystems. Dies soll durch die Modifikation der elektrischen Eigenschaften des Klebeharzes geschehen. Gleichzeitig sollen auch die Prozessierbarkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Klebstoffes durch die Modifikation positiv beeinflusst werden. Wird das modifizierte Harzsystems nur für einen der drei genannten Aspekte optimiert, besteht die Gefahr einer schlechten Performance bzgl. der anderen. Die physikalischen Eigenschaften des Klebstoffes dürfen daher für die drei Anforderungsbereiche nicht getrennt, sondern müssen in ihrem Zusammenspiel und ihren Wechselbeziehungen gemeinsam betrachtet und optimiert werden. Um diese Optimierung und die Erhöhung der Effizienz der multiphysikalischen Materialmodelle werden innerhalb der Simulationsumgebung Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt.Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2023Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, FKZ 03EE3069 A-FLaufzeit: 01.01.2023-31.12.2025
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Strukturen
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Entwicklung eines Sicherheitscockpits für Segelflugzeuge (CraCpit)Im Gesamtverbund entwickeln die Partner Lösungen für ein Sicherheitscockpit von Segelflugzeugen. Dabei konzentrieren sich der LCC und die Akaflieg München an der TU München auf die Neuentwicklung einer Cockpitstruktur, das ISD und die Akaflieg Hannover an der Leibniz Universität Hannover (LUH) adressieren eine Nachrüstlösung für bestehende Flugzeugmuster. Ziel der Partner an der LUH ist die Auslegung sowie der zulassungsfähige Entwurf von nachrüstbaren Strukturelementen zur Herstellung eines Sicherheitscockpits in älteren, bestehenden Segelflugzeugmustern nach aktuellen Anforderungen. Cockpitstrukturen erfahren im Crashfall hohe Beanspruchungen, die lokal zu Verformungen mit großen Deformationen und Werkstoffversagen führen. Die nachgerüsteten Strukturkomponenten übernehmen hierbei unterschiedliche (gegensätzliche) Funktionen, wie die Sicherstellung des Überlebensraumes des Piloten oder die Energiedissipation zur Minderung der Aufprallwirkung. Die Wirksamkeit der Einzelkomponenten kann anhand von FEM-Simulationen beurteilt und optimiert werden. Hierzu sind entsprechende Materialformulierungen erforderlich, welche in der Lage sind, die Strukturantwort vom Belastungsbeginn bis weit in den Nachbruchbereich hinein physikalisch hinreichend korrekt abzubilden. In der Materialmodellierung, der Simulation und der Bewertung der Bauteilfunktion der Nachrüstelemente liegt der Schwerpunkt der Arbeiten am ISD. Die Validierung der Materialmodelle geschieht durch Versuche auf Subkomponentenebene. Nach der Optimierung der Baueile durch die Simulation schließt ein Versuch auf Strukturebene (Simulation des gesamten Rumpfes und Crashversuch eines Beispielrumpfes (Prototyp)) das Projekt ab. Die experimentellen Arbeiten werden in enger Kooperation mit dem Partner Akaflieg Hannover e.V. durchgeführt. Hierzu werden diverse Prüfkörper und Prototypen gebaut und getestet. Darüberhinaus wird ein Industriepartner zur Sicherstellung der wirtschaftlichen Verwertung eingebunden.Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2017Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – 20E1703DLaufzeit: 2018-2021
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Improved structural performance through the use of random field analysisThe 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 RolfesTeam:Jahr: 2019Förderung: SE²A excellence, Cluster of DFGLaufzeit: 2019-2022
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Multistable Morphing Structures using Variable Stiffness CompositesThe 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 RolfesTeam:Jahr: 2019Förderung: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)Laufzeit: 2019-2021
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FANFOLD – Schnelle maschinell angelernte nichtlineare RotorblattanalyseDie Performance und Zuverlässigkeit des Rotorblattes ist entscheidend für die Effizienz einer WEA. Die Blätter machen einen Großteil der Anlagenkosten aus – Ihre Reparatur- und Wartungskosten sind vergleichsweise hoch. Rotorblätter müssen weniger störanfällig und reparaturbedürftig werden. In diese Richtung, Reparatur- und Wartungsaufwand zu senken, weisen auch Konzepte der vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“) und des Digitalen Zwillings, die in der Zukunft voraussichtlich einen signifikanten Teil der Gewinne im Rotorblattmarkt verantworten werden. Voraussetzung zur Umsetzung o.g. Konzepte ist eine schnelle Analysemethode für Faserverbundstrukturen (Vorhersage und Bewertung von Schadensprogression und Lebensdauer). Für die Gesamtsimulation des Rotorblattes dienen heute hierzu FE-Analysen unter Verwendung linear-elastischer Materialmodelle. Nichtlineare Effekte durch Schäden oder gar eine kontinuierliche Schadensevolution müssen in kleinerem Maßstab durch Experimente oder Detailsimulationen aufwändig untersucht werden. Um einen Schritt weiter zu gehen und z.B. den Einfluss nichtlinearer, progressiver Schädigungsprozesse auf die Aeroelastik und Lebensdauer zu erfassen oder oder um der quasistatischen Simulation im Entwurf weniger konservative Abminderungsfaktoren zugrunde legen zu können, müsste die Gesamtsimulation am Rotorblatt direkt unter Berücksichtigung progressiver Schädigungsprozesse erfolgen (Lastumlagerungseffekte). Hindernisse sind bislang der zu hohe Berechnungsaufwand und die kostspielige experimentelle Charakterisierung existierender Materialmodelle. Zwei Themenschwerpunkte sind zu adressieren, um diesen Herausforderungen zu begegnen: 1. Entwicklung einer neuartigen, nichtlinearen und schnellen Struktursimulation auf Blattebene 2. Senkung des Materialcharakterisierungsaufwandes durch maschinelles Lernen Zeil dieses Teilprojektes ist die unter Punkt eins genannte, valide, effiziente und kostengünstige nichtlineare Rotorblattsimulation.Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2020Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – FKZ 03EE3028ALaufzeit: 2020 –2023
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Ermüdung
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Global-local thermomechanical analysis of fracture in polycrystalline silicon shells using a phase-field approach.Photovoltaik (PV)-Module, die mehrere polykristalline SiliziumSolarzellen (PSSC) enthalten, gehören zu den üblichsten und am weitesten verbreiteten Geräten für die Erzeugung von Solarenergie. Die Effizienz der Energieerzeugung nimmt jedoch während ihrer Lebensdauer ab, was in erster Linie mit der Rissbildung in den polykristallinen Siliziumwafern (PSW) zusammenhängt. Das Ziel dieses gemeinsamen Forschungsprojekts (ISD - Leibniz Universität Hannover, IAM - TU Braunschweig) ist es, die Gesamtsteifigkeit von polykristallinen Silizium-Solarzellen (PSSCs) aufgrund von Mikrorissen zu bewerten. PSSCs sind komplizierte Komponenten, die aus mehreren Materialien bestehen, und die Modellierung wird rechenintensiv. Daher wurden zur Ermittlung der effektiven Materialeigenschaften von PSSCs, einschließlich der Risse, Techniken zur Modellierungsreduzierung wie die numerische Homogenisierung eingesetzt. Die Risse sollen mit einem Phasenfeldansatz modelliert werden. Ein verbessertes Voronoi-Tessellierungsschema wurde eingesetzt, um polykristalline Patterns der PSW zu generieren, und ein Mean-Field-Homogenisierungsschema wurde angewendet, um die homogenisierte Reaktion der PSSCs zu bestimmen. Die Genauigkeit des Homogenisierungsschemas wurde verifiziert und die Materialreaktion der heterogenen und homogenen PSSCs wurde verglichen.Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2018Förderung: DFG, German Research FoundationLaufzeit: 01.08.2018 - 31.07.2021
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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 RolfesTeam:Jahr: 2019Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
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SE2A-Excellence Cluster sustainable and energy efficient aviationDas Konzept des Ansaugpaneels birgt zwar ein hohes Potenzial, die Nachhaltigkeit zukünftiger Flugzeuge zu erhöhen, bringt aber auch einige strukturmechanische Herausforderungen mit sich, die sorgfältig geprüft werden müssen. Da die dem Panel zugrundeliegende Backbone-Struktur die lasttragende Funktion des äußeren Tragflügels im Ansaugbereich übernimmt, wird der Spannungsfluss im Tragflügel erheblich gestört, was zu mehreren, potenziell kritischen Spannungskonzentrationen führt. Um eine ausreichende Robustheit des Saugflächenkonzepts in Bezug auf statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu gewährleisten, soll die Backbone-Struktur numerisch mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen analysiert werden. Mit fundierten Kenntnissen auf dem Gebiet der Kontinuumsschädigungsmechanik und der progressiven Ermüdungsanalyse wird das ISD hochgenaue Festigkeits- und Ermüdungsanalysen der Backbone-Struktur durchführen, um ausreichend robuste Designs der Backbone-Struktur zu identifizieren. Aus mechanischer Sicht ist bekannt, dass Dünnschichtlaminate (TP) im Vergleich zu herkömmlichen Laminaten eine bessere statische Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweisen. Ein bewährtes Ermüdungsschadensmodell (FDM) wurde kalibriert und modifiziert, um den Einfluss der Schichtdicke bei statischer und zyklischer Belastung zu berücksichtigen.Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2019Förderung: DFG, German Research FoundationLaufzeit: 01.04.2019-31.12.2022
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Modellierung und Simulation des Ermüdungsschädigungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen unter variabler zyklischer BlockbeanspruchungGegenstand 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 RolfesTeam:Jahr: 2020Förderung: Internes ProjektLaufzeit: seit 2020
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Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung mikrorissinduzierter Delaminationen infolge zyklischer Belastung mit LastrichtungsumkehrZiel dieses Verbund-Forschungsvorhabens (ISD - Leibniz Universität Hannover, ILK - TU Dresden) ist es ein tiefgehendes Verständnis des Schädigungsablaufs beim Delaminationswachstum in Faser-Kunststoff-Verbund-Laminaten (FKV) ausgehend von vorhandenen Zwischenfaserbrüchen bei zyklischer Beanspruchung mit Lastrichtungswechsel zu entwickeln. Dabei ist mittels Analyse und Quantifizierung der relevanten Schädigungsprozesse während der Belastung zu klären, welchen Einfluss die Höhe und Richtung der aufgebrachten Belastung auf das Delaminationswachstum in FKV-Laminaten hat. Basierend auf den experimentellen Arbeiten werden detaillierte numerische Simulationen auf makro- und mesoskopischer Ebene aufgebaut, die eine zielgerichtete Analyse des Delaminationsvorgangs sowohl in DCB bzw. ENF als auch Laminatversuchen erlauben. Somit wird die experimentell nicht umsetzbare delaminationslängenabhängige Analyse der Bruchmoden ermöglicht. Es lässt sich folglich prüfen, ob durch standardisierte Rissfortschrittsuntersuchungen (DCB, ENF etc.) ermittelte Kennwerte auf eingebettete Schichten übertragbar sind. Die Untersuchungen liefern darüber hinaus umfangreiche experimentelle Ergebnisse zum Delaminationsvorgang in FKV-Laminaten unter ebener Belastung und schaffen somit eine Basis für die Entwicklung geeigneter analytischer und numerischer Modelle. Es wird untersucht, inwiefern vorhandene numerische Schädigungsmodelle (z.B. Kohäsivzonenansätze) eine zuverlässige und effiziente Modellierung des zyklischen Delaminationswachstums erlauben und wie die mesoskopischen Simulationsergebnisse für makroskopische kontinuumsmechanische Simulationen genutzt werden können.Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2021Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457043708Laufzeit: 01.09.2021-31.08.2023
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Ermüdungsverhalten und Vorhersage von Ermüdungsschäden von kurzfaserverstärkten Klebstoffen in Blättern von Windkraftanlagen (Add2ReliaBlade)Die Zuverlässigkeit von Rotorblättern hat eine besondere Bedeutung für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windenergieanlagen (WEA). Anlagenhersteller haben in den vergangenen Jahrzehnten viel Erfahrung im Entwurf von Rotorblättern und Schäden im Betrieb gesammelt. Dennoch sind Rissbildungen in der Rotorblattstruktur immer noch Ursachen für kostspielige Reparaturen und Betriebsausfälle. Das deutet darauf hin, dass es nach wie vor Wissenslücken in der Entwicklung von Ermüdungsschädigungen in Rotorblättern gibt, was insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Rotorblattverklebungen zutrifft. Um diese Wissenslücken zu schließen und die Zuverlässigkeit von Rotorblättern zu erhöhen, wurde im 2021 das Projekt Add2RelaiBlade als komplementäre Ergänzung des Projektes ReliaBlade aufgesetzt. Der Schwerpunkt des Projektes Add2ReliaBlade liegt auf der Entwicklung, Charakterisierung und Validierung von Simulationsmethoden und -modellen für die Beschreibung des (Ermüdungs-) Schädigungsverhaltens (kurzfaserverstärkter) Klebeverbindungen in Rotorblättern. Der Fokus liegt auf der Hinterkantenverklebung, da diese besonders schadensanfällig ist. Dieses Teilprojektes liefert substanzielle Beiträge im Rahmen erweiterter Materialversuche und zerstörungsfreier Bildgebung für kurzfaserverstärkte Klebstoffe, der Modellierung der räumlichen Verteilung der Faserorientierung in kurzfaserverstärkten Hinterkantenverklebungen, der kontinuumsmechanischen und energiebasierten Modellierung des Ermüdungsschädigungsverhaltens (kurzfaserverstärkter) Klebeverbindungen sowie der Etablierung datenbasierter Methoden der numerischen Mechanik für die Analyse der Ermüdungsschädigung von kurzfaserverstärkten Verklebungen.Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund RolfesTeam:Jahr: 2021Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)Laufzeit: 01.05.2021-30.4.2024
