Institute of Technology, Resource and Energy-efficient Engineering (TREE)

Arbeitsgruppe Strukturanalyse und –optimierung

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Simulation und der mathematischen Optimierung von Strukturbauteilen auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM). Neben der Modellbildung stehen hier auch experimentelle und numerische Verfahren zur Identifikation der benötigten Materialkennwerte im Fokus. Insbesondere bei thermoplastischen Werkstoffen, wie sie beispielsweise im Extrusionsblasformen von Kunststoffhohlkörpern eingesetzt werden, ist es notwendig, die (herstell-)prozessbedingten Änderungen der Materialeigenschaften mit zu betrachten und zu modellieren.
 
Aktuelle Forschungsthemen
  • Integrative Simulation von Kunststoffbauteilen: Mit Ansätzen und Modellen der integrativen Simulation werden die für die Produkteigenschaften spezifischen Besonderheiten des jeweiligen Herstellungsprozesses in der Bauteilauslegung verstärkt berücksichtigt. Beispiele sind lokal variierende Steifigkeiten oder Anisotropien aufgrund unterschiedlicher Verstreckungen und Abkühlgeschwindigkeiten im Extrusionsblasformen.
  • Vorhersage von Schwindung und Verzug im Extrusionsblasformen: Durch die Einbindung nichtlinear-viskoelastisch-viskoplatischer Materialmodelle, wie z.B. dem in Abaqus implementierten Parallel Rheological Framework (PRF), sollen bestehende Modelle zur Beschreibung der Bauteilschwindung erweitert werden.
  • Entwicklung von experimentellen und numerischen Methoden zur Identifikation von Materialparametern für die FE-Strukturanalyse
  • Fluid-Struktur-Kopplung (FSI): Simulation des Verhaltens flüssigkeitsgefüllter Behälter
  • Strukturoptimierung generativ gefertigter Komponenten aus dem Fahrzeugbau

cae-blasformen_small_quelle_hagen_stiftung.jpg (DE)
 
Methoden, Kompetenzen und Anwendungen

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von thermoplastischen Werkstoffen. Es wird untersucht, welchen Einfluss lokale Prozessbedingungen auf die späteren Produkteigenschaften haben. Neben numerischen Verfahren zur Identifikation der Materialparameter wurde außerdem ein umfangreiches Know-How im experimentellen Bereich (Material- und Bauteilprüfung) aufgebaut.

Einen Schwerpunkt der Arbeiten bildet die Entwicklung von automatisierten CAE-Workflows insbesondere für das Extrusionsblasformen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens VMAP wurden in einem internationalen Konsortium standardisierte Schnittstellen entwickelt. Ziel ist es, alle relevanten Materialkennwerte und Zustandsvariablen (z.B. Dehnung, Spannung, Orientierungen, Temperatur, Wanddicke) zwischen den unterschiedlichen in der Entwicklung genutzten CAE-Werkzeugen (Prozesssimulation, Strukturanalyse, etc.) auszutauschen.

 
Labore

Die Simulationen werden auf dem Rechencluster der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg durchgeführt. Automatisierte Workflows ermöglichen leistungsfähige Berechnungen, die hochauflösende Simulationen im Bereich Fluid-Strukturkopplung sowie der mathematischen Strukturoptimierung erlauben.

 

Forschungsprojekte
 
Ausgewählte / Neue Publikationen
  • Michels, P., Bruch, O., Evers-Dietze, B., Grotenburg, D., Ramakers van Dorp, E., Altenbach, H: Shrinkage simulation of blow molded parts using viscoelastic material models, Materialwiss. Werkstofftech. 2022, 53, 449, doi 10.1002/mawe.202100350
  • Bruch, O., Grommes, D., Michels, P., Busch, A., Ouali., A.: An integrative optimization concept for extrusion blow molded parts. Proceedings of NAFEMS World Congress 2021, 25-29.10.2021
  • Bruch, O., Michels, P., Grotenburg, D.: Enhanced Simulation of Shrinkage and Warpage of Extrusion Blow Molded Parts Using the VMAP Interface Standard, Conference Proceedings of 1st International Conference on CAE Interoperability 2020
  • Ramakers-van Dorp, E.,  Blume, C., Haedecke, T., Pata, V., Reith, D., Bruch, O., Möginger, B., Hausnerova, B., Process-dependent structural and deformation properties of extrusion blow molding parts, Polymer Testing 77, 105903, 2019
  • Michels, P.; Bruch,O.; Evers-Dietze, B.; Ramakers van Dorp, E.; Altenbach, H.: Simulative und experimentelle Bestimmung der Bauteilschwindung von extrusionsblasgeformten Kunststoffhohlkörpern, Tagungsband 14. Magdeburger Maschinenbautage, pp. 198–208, 2019
  • Michels, P.; Grommes, D.; Oeckerath, A.; Reith, D.; Bruch, O.: An integrative simulation concept for extrusion blow molded plastic bottles, In: Finite Elements in Analysis and Design 164, 2019, pp. 69-78

Weitere Veröffentlichungen unter:
https://www.hagen-stiftung.de/forschung-und-entwicklung/veroeffentlichungen-patentschriften/

 
Kooperationspartner
  • Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für technische Mechanik, Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. mult. Holm Altenbach
  • Fraunhofer SCAI,  Geschäftsfeld Multiphysics
  • Dr. Reinold Hagen Stiftung

Links

Weiterführende Links

Institut für Technik, Ressourcenschonung und Energieeffizienz (TREE)
Best Poster Award für Dirk Grommes