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0 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im
Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Schwerpunkt 49: Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Koordinator: Prof. Dr. Peter Gumbsch, IAM-CMS
INSTITUT FÜR ANGEWANDTE MATERIALIEN -- IAM-CMS
1 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Für wen ist der Schwerpunkt 49 genau das Richtige?
Freude am und Erfolg im Schwerpunkt 49 sind nicht unwahrscheinlich, wenn ...
bei eher klassischer Ausrichtung
ein ausgeprägtes Interesse am und sehr gute
Vorkenntnisse in der Werkstoffkunde bestehen
TM und HM während des Bachelor-Studiums
nicht zu schlaflosen Nächten geführt haben
bei eher rechnergestützter Ausrichtung
zusätzlich großes Interesse an TM und HM besteht
Spaß am Programmieren vorhanden ist
© Jan Woitas / dpa
www.mtb-news.de/forum/t/
rahmenbruch-canyon-nerve.837040/
www.bz-berlin.de/berlin/b-z-zerlegt-den-vw-skandal-in-seine-einzelteileww
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2 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Mehrstufen-Nachweiskonzept der Crashsicherheit des ICE3
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Beispiel aus der Praxis
Werkstoff Sub-Struktur Bauteil
3 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Beispiel aus der Praxis
Lebensdauervorhersage von ferritisch-austenitischen
Rohrmischschweißverbindungen für moderne Kohlekraftwerke
4 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
FAZ,14.10.2014
“MOL Comfort”
• Bau 2008
• 316 m Länge
• 45,6 m Breite
• 8110 Standardcontainer
• Schaden > 100 Mio €
Mögliche Ursachen
• Überladung oder falsche Verteilung von Ladung bzw. Ballastwasser
• fehlerhafte Konstruktion und Auslegung (“non robust design”)
• Versprödung des hochfesten Stahls (Res = 460 MPa) beim Schweißen
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Beispiel aus der Praxis
Schiffshavarie im Indischen Ozean am 17. Juni 2013
5 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Kernfächer
Kat. V-Nr. /TL-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut
K 2181715 / T-MACH-102139Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Ermüdung und Kriechen (Kernfach)
P. Gruber, P. Gumbsch2 W 4
IAM-WBM
IAM-CMS
K 2181711 / T-MACH-102140Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Verformung und Bruch (Kernfach)P. Gumbsch, D. Weygand 2 W 4 IAM-CMS
E 2173562 / T-MACH-105724 Schadenskunde C. Greiner, J. Schneider 2 W 4 IAM-CMS
E 2173585 / T-MACH-105354 Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe S. Guth, K.-H. Lang 2 W 4 IAM-WK
E 2181745/ T-MACH-105310 Auslegung hochbelasteter Bauteile J. Aktaa 2 W 4 IAM-WBM
E2181731
T-MACH-105984 / -109304
Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile
und Strukturen (V + Ü)M. Farajian, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS
E 2181750 / T-MACH-105516 Plastizität auf verschiedenen Skalen K. Schulz, C. Greiner 2 W 4 IAM-CMS
E 2181710 / T-MACH-105334 Mechanik von Mikrosystemen P. Gruber, C. Greiner 2 W 4 IAM-WBM / CMS
E2181740 / 2181741
T-MACH-105308Atomistic Simulations and Molecular Dynamics (V + Ü) D. Weygand, P. Gumbsch 2 + 1 S 4 IAM-CMS
E 2182740 / T-MACH-105369 Werkstoffmodellierung: versetzungsbasierte Plastizität D. Weygand 2 S 4 IAM-CMS
E 2183703 / T-MACH-100300 Modellierung und Simulation B. Nestler 2 + 1 W/S 4 IAM-CMS
E 2183702 / T-MACH-105303 Mikrostruktursimulation A. August, B. Nestler 2 + 1 W 4 IAM-CMS
E 2181720 / T-MACH-105324 Grundlagen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik M. Kamlah 2 W 4 IAM-WBM
E2162282 / 2162257
T-MACH-105320 / -110330Einführung in die Finite-Elemente-Methode (V + Ü) T. Böhlke, T.-A. Langhoff 2 + 1 S 4 ITM
E 2181738 / T-MACH-100532 Wissenschaftliches Programmieren für Ingenieure D. Weygand, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS
E ... viele weitere Ergänzungsvorlesungen N.N. 2 S / W 4IAM / ITM /
WBK / IPEK
Empfohlenes Wahlpflichtfach
2174576 / T-MACH-100531 Systematische Werkstoffauswahl / S. Dietrich, V. Schulze (IAM-WK)
6 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
• Kriechen
• Einführung
• Hochtemperaturplastizität
• Kriechmechanismen
• Phänomenologische Beschreibung
• Legierungseinflüsse
Kernfach
Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Ermüdung und Kriechen -- P. Gruber, P. Gumbsch, IAM-WBM / CMS
Konstruktionswerkstoffe sind vielseitigen Belastungen ausgesetzt,
die zu verschiedenen Ursachen und Erscheinungsformen des
Versagens von Bauteilen führen.
Inhalt
• Ermüdung,
Ermüdungsmechanismen
• Einführung
• Statistische Aspekte
• Lebensdauer
• Stadien der Ermüdung
• Materialwahl
• Thermomechanische Belastung
• Kerben und Kerbformoptimierung
• Fallbeispiel: ICE-Unglück
www.thisdayinaviation.com/28-april-1988/
© picture-alliance / dpa, Foto: Ingo Wagner
ÖAMTC Pannenhilfe 2017 © Gurtner
7 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Konstruktionswerkstoffe sind vielseitigen Belastungen ausgesetzt,
die zu verschiedenen Ursachen und Erscheinungsformen des
Versagens von Bauteilen führen.
Inhalt
• Einführung
• Grundlagen der Elastizitätstheorie
• Klassifizierung von Spannungen
• Versagen durch plastische Verformung
• Zugversuch, Versetzungen, Verfestigungs-
mechanismen, Dimensionierungsrichtlinien
• Verbundwerkstoffe
• Bruchmechanik
• Bruchhypothesen, linear elastische Bruch-
mechanik, Risswiderstand, experimentelle
Bestimmung der Risszähigkeit, Fehlerfest-
stellung, Risswachstum, Anwendungen
der Bruchmechanik, Atomistik des Bruchs
Kernfach
Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Verformung und Bruch -- D. Weygand, P. Gumbsch, IAM-CMS
Spröd-Duktil-Übergang
Crash
Experiment und Simulation
www-g.eng.cam.ac.uk/125/1925-1950/tipper3.html
www.dynamore.de/de/download/papers/forum10/papers/H-I-01.pdf/view
8 04.08.2020
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Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau -- Ergänzungsfächer
eher klassische Ausrichtung
Weitere Ergänzungsfächer nach Absprache mit dem/der Dozenten/in und
Genehmigung durch den Schwerpunktverantwortlichen Prof. Gumbsch möglich!
Kat. V.-Nr. /TL-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut
K 2181715 / T-MACH-102139Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Ermüdung und Kriechen (Kernfach)
P. Gruber, P. Gumbsch2 W 4
IAM-WBM
IAM-CMS
K 2181711 / T-MACH-102140Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Verformung und Bruch (Kernfach)P. Gumbsch, D. Weygand 2 W 4 IAM-CMS
E 2173562 / T-MACH-105724 Schadenskunde C. Greiner, J. Schneider 2 W 4 IAM-CMS
E 2173585 / T-MACH-105354 Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe S. Guth, K.-H. Lang 2 W 4 IAM-WK
E 2181745/ T-MACH-105310 Auslegung hochbelasteter Bauteile J. Aktaa 2 W 4 IAM-WBM
E2181731
T-MACH-105984 / -109304
Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile
und Strukturen (V + Ü)M. Farajian, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS
E 2181750 / T-MACH-105516 Plastizität auf verschiedenen Skalen K. Schulz, C. Greiner 2 W 4 IAM-CMS
E 2181710 / T-MACH-105334 Mechanik von Mikrosystemen P. Gruber, C. Greiner 2 W 4 IAM-WBM / CMS
E 2146190 / T-MACH-105221 Konstruktiver Leichtbau A. Albers, N. Burkardt,
M. Spadinger2 S 4 IPEK
E 2149667 / T-MACH-102107 Qualitätsmanagement G. Lanza 2 W 4 WBK
E 2117061 / T-MACH-105171 Sicherheitstechnik H. Kany 2 W 4 IFL
9 04.08.2020
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Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Inhalt
• Ziel, Ablauf und Inhalt von Schadensanalysen
• Untersuchungsmethoden
• Schadensarten
• Schäden durch mechanische Beanspruchung
• Versagen durch Korrosion in Elektrolyten
• Versagen durch thermische Beanspruchung
• Versagen durch tribologische Beanspruchung
• Grundzüge der Versagensbetrachtung
Ergänzungsfach
Schadenskunde
C. Greiner, J. Schneider, IAM-CMS
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Schwingbruchflächen unterschiedlicher Ausprägung
10 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Schwingfestigkeit metallischer Werkstoffe
S. Guth, K.-H. Lang, IAM-WK
Ziele
• Überblick über das Verformungs- und Versagensverhalten
metallischer Werkstoffe unter zyklischer Beanspruchung
• Beschreibung der grundlegenden mikrostrukturellen
Vorgänge als auch der Entwicklung makroskopischer
Schädigungen
• Erkennen von Schädigungen durch zyklische Beanspruchungen
und Bewertung des Schwingfestigkeitsverhalten zyklisch beanspruchter Bauteile
Inhalt
• Einleitung: einige „interessante“ Schadenfälle
• Prüfeinrichtungen
• Zyklisches Spannung-Dehnung-Verhalten
• Rissbildung
• Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung
• Kerbermüdung
• Betriebsfestigkeit
© IAM-WK, KIT
11 04.08.2020
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Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Auslegung hochbelasteter Bauteile
J. Aktaa, IAM-WBM
Stand der Technik
• Regeln gängiger Auslegungsvorschriften:
ASME-PVP, RCC-MR, R5 (BS), KTA
• Klassische Stoffgesetze der
Elasto-Plastizität und des Kriechens
• Lebensdauerregeln für Kriechen,
Ermüdung und Kriech-Ermüdungs-
Wechselwirkung
Stand der Forschung
• Fortgeschrittene Stoffgesetze der
Thermo-Elasto-Viskoplastizität
• Kontinuumsmechanische Stoffgesetze
für die Schädigung bei hohen Temperaturen
• Einsatz fortgeschrittener Stoffgesetze bei
der Strukturanalyse von Komponenten
GP7200© Pratt & Whitney
www.rssportscars.com/galleries/2014-jaguar-lightweight-e-type-1/photo-30
techstory.in/germany-develops-nuclear-fusion-machine/
12 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile und Strukturen
M. Farajian, P. Gumbsch, IAM-CMS
Inhalt
• Schweißnahtqualität
• Schadensfälle bei Schweißverbindungen
• Bewertung von Kerben, Fehlern und Eigenspannungen
• Festigkeitskonzepte
• Nenn-, Struktur-, Kerbspannungskonzepte
• Bruchmechanik
• Lebensdauerbewertung
• Maßnahmen zur Verlängerung
der Lebensdauer mittels
Nachbehandlungsverfahren
• Instandsetzung, Ertüchtigung
und Reparaturmaßnahmen
© FhG-IWM
© FhG-IWM
13 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Plastizität auf verschiedenen Skalen
K. Schulz, C. Greiner, IAM-CMS
Inhalt
• Die Studenten werden an komplexe Themengebiete der Werkstoffmechanik
herangeführt. Dies geschieht durch studentische Vorträge und Besprechung
von bedeutenden Veröffentlichungen aus dem Bereich Plastizität.
14 04.08.2020
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Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Mechanik von Mikrosystemen
P. Gruber, C. Greiner, IAM-WBM / IAM-CMS
Eigenschaften
Produkt
Inhalt
Verständnis mechanischer Phänomene
in kleinen Dimensionen
Materialien und deren Eigenschaften
für Mikrosysteme
Messung mechanischer Eigenschaften
von Mikrostrukturen und -materialien
Wirkprinzipien mechanischer Sensoren
Wirkprinzipien Mikroaktoren
Testen
Wirkprinzip
15 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Konstruktiver Leichtbau
A. Albers, N. Burkardt, M. Spadinger, IPEK
Vermittlung von
Grundlagen des Leichtbaus
klassische und moderne konstruktive Leichtbaumethoden
Allgemeine Aspekte des Leichtbaus
Leichtbaustrategien und -bauweisen
Gestaltungsprinzipien
Leichtbaukonstruktion
Versteifungsmethoden
Leichtbaumaterialien
Virtuelle Produktentwicklung
Bionik
Verbindungstechnik
Validierung
Recycling
Leichtbau aus der Sicht der Praxis (Industrie-Gastdozenten)
Inh
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16 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Qualitätsmanagement
G. Lanza, WBK
Inhalt
Der Begriff „Qualität“
Total Quality Management (TQM) und Six-Sigma
Universelle Methoden und Werkzeuge
QM in frühen Produktphasen - Produktdefinition
QM in Produktentwicklung und Beschaffung
QM in der Produktion – Fertigungsmesstechnik
QM in der Produktion – Statistische Methoden
Qualitätsmanagementsysteme
Rechtliche Aspekte im QM
17 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Sicherheitstechnik
H.-P. Kany, IFL
Ziel
Vermittlung von Basiswissen in den Bereichen Sicherheitstechnik, Gesundheit am Arbeitsplatz
und Arbeitssicherheit in Deutschland, nationale und europäische Sicherheitsregeln sowie
Grundlagen sicherheitsgerechter Maschinenkonstruktionen
Inhalt
• Grundlagen des Arbeitsschutzes
• Sicherheitstechnisches Regelwerk
• Sicherheitstechnische Grundprinzipien
für die Konstruktion von Maschinen,
• Schutzeinrichtungen und -systeme
• Systemsicherheit mit Risikoanalysen
• Elektronik in der Sicherheitstechnik
• Sicherheitstechnik in der Lager- und Fördertechnik
• Elektrische Gefahren
• Ergonomie
schroeder-sicherheit.de
www.kargerthomas.de
© Rockwell Automation GmbH
18 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau -- Ergänzungsfächer
eher rechnergestützte Ausrichtung “Werkstoffkunde”
Kat. V.-Nr. / TL-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut
K 2181715 / T-MACH-102139Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Ermüdung und Kriechen (Kernfach)
P. Gruber, P. Gumbsch2 W 4
IAM-WBM
IAM-CMS
K 2181711 / T-MACH-102140Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Verformung und Bruch (Kernfach)P. Gumbsch, D. Weygand 2 W 4 IAM-CMS
E2181740 / 2181741
T-MACH-105308Atomistic Simulations and Molecular Dynamics (V + Ü) D. Weygand, P. Gumbsch 2 + 1 S 4 IAM-CMS
E 2182740 / T-MACH-105369 Werkstoffmodellierung: versetzungsbasierte Plastizität D. Weygand 2 S 4 IAM-CMS
E 2183702 / T-MACH-105303 Mikrostruktursimulation A. August, B. Nestler 2 + 1 W 4 IAM-CMS
E 2182732 / T-MACH-105321 Einführung in die Materialtheorie M. Kamlah 2 S 4 IAM-WBM
E 2181738 / T-MACH-100532 Wissenschaftliches Programmieren für Ingenieure D. Weygand, P. Gumbsch 2 W 4 IAM-CMS
E2182735 / 2182736
T-MACH-105390
Anwendung höherer Programmiersprachen im
Maschinenbau (V + Ü)D. Weygand 2 + 1 S 4 IAM-CMS
E 2183716 / T-MACH-105392 FEM Workshop -- Stoffgesetze D. Weygand 2 W/S 4 IAM-CMS
E 2113106 / T-MACH 105970 Strukturberechnung von Faserverbundlaminaten L. Kärger 2 WS 4 FAST
E 2114107 / T-MACH-105971Simulation der Prozesskette kontinuierlich verstärkter
FaserverbundbauteileL. Kärger 2 SS 4 FAST
E 2113110 / T-MACH-110954Leichtbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen –
Theorie und PraxisL. Kärger, W. Liebig 2 WS 4
FAST
IAM-WK
Weitere Ergänzungsfächer nach Absprache mit dem/der Dozenten/in und
Genehmigung durch den Schwerpunktverantwortlichen Prof. Gumbsch möglich!
19 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Aim
introduction to the physical foundation of particle based
simulation methods focussing on molecular dynamics
Content
• physics of materials
• MD basics, atom-billard
• particle, position, energy, forces,
pair potentials
• initial and boundary conditions
• time integration
• algorithms
• statics, dynamics, thermodynamics
• MD output
• interaction between particles
• pair potential – multi body potentials
• principles of quantum mechanics
• tight binding methods
• dissipative particle dynamics
• application of particle based methods
deformation mechanisms
of nano-crystalline materials
Ergänzungsfach
Atomistic Simulations and Molecular Dynamics
D. Weygand, P. Gumbsch, IAM-CMS
20 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Werkstoffmodellierung: versetzungsbasierte Plastizität
D. Weygand, IAM-CMS
Ziel
Beschreiben und Verstehen des Verformungsverhaltens
aufgrund der kollektiven Versetzungsbewegung
• Elastische Felder von Versetzungen
• Abgleiten, Kristallographie
• Bewegungsgesetze von Versetzungen
in kfz und krz Materialien
• Wechselwirkung zwischen Versetzungen
• Versetzungsdynamik in 2 und 3 Dimensionen
• Kontinuumsbeschreibung von Versetzungen
• Mikrostrukturentwickung -
Gefügeentwicklung - Kornwachstum
Y
Z
X
n1
n2
b1
b2
100 nm
1µm
1mm
21 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Mikrostruktursimulation
A. August, B. Nestler, IAM-CMS
Inhalt
Grundlagen - Thermodynamik und Konstruktion von Phasendiagrammen
Grundlagen - Phasenumwandlungsprozessen (flüssig-fest und fest-fest)
Beobachtete Mikrostrukturen in Werkstoffen
Mechanismen der Gefügeausbildung
polykristalline Korngefüge
mehrphasige Mikrostrukturen
(Eutektika, Peritektika, etc.)
Wärme- und Stoffdiffusion
Phasenfeldmodellierung und -simulation
Erweiterung der Phasenfeldmodellierung
um weitere physikalische Felder
Vorlesung mit begleitender Übung / Rechnerpraktikum
3 SWS
Klausur über 90 min
22 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Einführung in die Materialtheorie
M. Kamlah, IAM-WBM
Ziel
mathematische Beschreibung des Materialverhaltens als Grundlage
für moderne Berechnungswerkzeuge
Inhalt
• Wiederholung von Grundlagen der Kontinuumsmechanik kleiner Deformationen
• Klassifizierung des Materialverhaltens von Festkörpern
• Stoffgesetze der
• Elastizität
• Viskoeleastizität
• Plastizität
• Viskoplastizität
• Mathematische Form,
Eigenschaften,
spezielle Lösungen
Werkstoffkunde für Ingenieuere, 3. Auflage 2008.
E. Roos, K. Maile© 2008 Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg
23 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Wissenschaftliches Programmieren für Ingenieure
D. Weygand, P. Gumbsch, IAM-CMS
Ziel
Vermittlung des theoretischen und praktischen Grundwissen des wissenschaftlichen Rechnens,
um die Analyse und die numerische Behandlung einer wissenschaftlichen Fragestellung
erfolgreich durchzuführen.
Anhand der Übungsaufgabe "Entwicklung einer einfachen Teilchendynamiksimulation"
werden alle Elemente eines Simulationsprogramms behandelt.
Inhalt
• Umgang mit Linux/Unix Umgebung
Login - Organisation der Daten – Dateisystem
Shellkommandos - Jobverwaltung - Editoren
• Programmiersprache C++
Aufbau des Quellcodes - Programmierung - Compilation - Debuggen
• Umgang mit Bibliotheken, Visualisierung
STL - BLAS - VTK
• Konzeption eines Programms: Partikeldynamik
• Visualisierung von Daten und Ergebnissen unter Unix
24 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Anwendung höherer Programmiersprachen im Maschinenbau
D. Weygand, IAM-CMS
Beschreibung von Materialeigenschaften, zum Beispiel in Finite Element Anwendungen,
erfordert häufig Erweiterungen in Form von Materialroutinen.
Ziel der Vorlesung ist es, eine Einführung in höhere Programmiersprachen, Skriptsprachen
und numerische Methoden zu geben, welche die Erstellung und systematische Auswertung
von entsprechenden, numerischen Fragestellungen unter UNIX/Linux ermöglichen.
Anhand vorgeschlagener Programmieraufgaben werden die Elemente der Vorlesung
praktisch in den Übungen umgesetzt.
Lernziele
• Umgang mit Linux / Unix Umgebung
Login - Organisation der Daten – Dateisystem
Shellkommandos - Jobverwaltung - Editoren
• Programmiersprache Fortran 95 / 2003
Aufbau des Quellcodes - Programmierung - Compilation - Debuggen
• Parallelisierung unter OpenMP
• Numerische Methode
• Skriptsprache: awk, Python
• Visualisierung von Daten und Ergebnissen unter Unix
25 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
FEM Workshop - Stoffgesetze
D. Weygand, IAM-CMS
Inhalt
Wiederholung theoretischer Grundlagen und
Vermittlung praxisorientierter Aspekte der
Werkstoffmodellierung
Veranstaltungsmodus
Ergänzung zu „Einfü̈hrung in die Materialtheorie“
und als Einzelveranstaltung mit den Themen
• Einführung in die FEM-Grundlagen
und grundlegende Stoffgesetzklassen
• Einführung in das Programmpaket ABAQUS
• Simulation von Zugversuchen bei elastischen
und plastischen Werkstoffeigenschaften
• Berücksichtigung zeitabhängigen Materialverhaltens
26 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Strukturberechnung von Faserverbundlaminaten
L. Kärger, FAST
Inhalt
Die Lehrveranstaltung widmet sich der Berechnung des Material- und Strukturverhaltens von FVK-Bauteilen
mit kontinuierlicher Faserverstärkung und vermittelt das dafür nötige Werkstoff- und Prozessverständnis.
• Mikromechanik und Homogenisierung des Faser-Matrix-Verbundes
• Makromechanisches Verhalten der Einzelschicht
• Verhalten des Mehrschichtverbunds
• FE-Formulierungen
• Versagenskritierien
• Schädigungsanalyse
• Auslegung von FVK-Bauteilen
27 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Simulation der Prozesskette kontinuierlich verstärkter
Faserverbundbauteile
L. Kärger, FAST
Inhalt
Die Lehrveranstaltung beschäftigt sich mit Simulationsmethoden zur Berechnung von Faserverbund-
bauteilen von der Fertigung bis zum Einsatz und vermittelt das nötige Werkstoff- und Prozessverständnis.
• Virtuelle Prozesskette (CAE-Kette)
• Drapiersimulation:
Drapierverhalten der Halbzeuge, Drapierprozess, kinematische Drapiersimulation, FE-Drapiersimulation
• Formfüllsimulation:
Grundlagen der Strömungsmechanik, Viskosität und Permeabilität, Formfüllsimulation in der CAE-Kette
• Aushärtesimulation und Verzug: Vernetzungsreaktion, Harzkinetik, Thermomechanik, Eigenspannungen, Bauteilverzug
• Struktursimulation:
Modellierung des Mehrschichtverbundes, Einfluss von Fertigungseffekten auf das Bauteilverhalten
28 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Leichtbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen - Theorie und Praxis
L. Kärger, W. Liebig, FAST / IAM-WK
Inhalt
Ein gemeinsames Lehrkonzept des FAST-LBT und IAM-WK bringt den Studierenden Theorie und Praxis in
Bezug auf Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen näher. Die Studierenden werden in kleinen Gruppen
(max. 4 Personen) mit einer Ingenieuraufgabe im Leichtbaukontext konfrontiert, z.B. der Auslegung eines
möglichst tragfähigen Biegebalkens mit Bauraum- und Gewichtsbeschränkung. Zur Lösung des Problems
werden verschiedene Materialen (Fasern, Harze, Schäume, etc.) und die notwendigen Materialdaten zur
Verfügung gestellt, welche beliebig kombiniert werden können.
• Grundlagen Leichtbaustrategien
• Grundlagen Faser-Verbund-Kunststoffe
• Grundlagen FEM-Simulation
mit nicht-isotropen Multimaterialsystemen
• Simulative Bauteilbetrachtung
• Fertigung von Faser-Verbund-Kunststoffen
• Mechanische Prüfung
www.murtfeldt.de/produkte/kunststoffe/faserverbundwerkstoffe/
29 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
SP49 Zuverlässigkeit im Maschinenbau -- Ergänzungsfächer
eher rechnergestützte Ausrichtung “Technische Mechanik”
Kat. V.-Nr. Vorlesung Dozent/in SWS Sem. LP Institut
K 2181715 / T-MACH-102139Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Ermüdung und Kriechen (Kernfach)
P. Gruber, P. Gumbsch2 W 4
IAM-WBM
IAM-CMS
K 2181711 / T-MACH-102140Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen
Verformung und Bruch (Kernfach)P. Gumbsch, D. Weygand 2 W 4 IAM-CMS
E 2181720 / T-MACH-105324 Grundlagen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik M. Kamlah 2 W 4 IAM-WBM
E2161254 / 2161255
T-MACH-110375 / -110376Mathematische Methoden der Kontinuumsmechanik T. Böhlke 2 + 2 W 4 ITM
E2162280
T-MACH-110378 / -110379Mathematische Methoden der Mikromechanik T. Böhlke 2 +1 S 4 ITM
E2161252
T-MACH-110377 / -110333Kontinuumsmechanik der Festkörper und Fluide T. Böhlke, B. Frohnapfel 2 + 1 W 4 ITM, ISTM
E2162282 / 2162257
T-MACH-105320 / -110330Einführung in die Finite-Elemente-Methode (V + Ü) T. Böhlke, T.-A. Langhoff 2 + 1 S 4 ITM
E 2182731 / T-MACH-105417 Finite-Elemente Workshop I. Tesari, C. Mattheck, D. Weygand 2 S 4 IAM-WBM / CMS
Weitere Ergänzungsfächer nach Absprache mit dem/der Dozenten/in und
Genehmigung durch den Schwerpunktverantwortlichen Prof. Gumbsch möglich!
30 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Grundlagen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik
M. Kamlah, IAM-WBM
Ziel
Einführung in die Kontinuumsmechanik als allgemeiner Rahmen
für multiphysikalische Kontinuumstheorien
Inhalt
• Mathematische Grundlagen: Tensoralgebra und -analysis
• Kinematik
• Materielle Körper und Bewegung
• Deformation, Verzerrung
• Geometrische Linearisierung
• Bilanzgleichungen
• Transporttheoreme, Allgemeine Struktur einer Bilanzrelation
• Bilanzrelationen der Kontinuumsmechanik
• Bilanzrelationen der Thermodynamik
• Spezielle Theorien der Kontinuumsmechanik
31 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Mathematische Methoden der Kontinuumsmechanik
T. Böhlke, ITM
Ziel
systematische Darstellung der mathematischen
Grundlagen und Methoden der Festigkeitslehre
Inhalt
• Tensoralgebra
• Vektoren; Basistransformation; dyadisches Produkt; Tensoren 2. Stufe
• Eigenschaften von Tensoren 2. Stufe: Symmetrie, Antimetrie, Orthogonalität etc.
• Eigenwertproblem, Theorem von Cayley-Hamilton, Invarianten; Tensoren höherer Stufe
• Tensoralgebra und -analysis in schiefwinkligen und krummlinigen Koordinatensystemen
• Differentiation von Tensorfunktionen
• Anwendungen der Tensorrechnung in der Festigkeitslehre
• Kinematik infinitesimaler und finiter Deformationen
• Transporttheorem, Bilanzgleichungen, Spannungstensor
• Materialgleichungen für Festkörper und Fluide
• Formulierung von Anfangs-Randwertproblemen
32 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Mathematische Methoden der Mikromechanik
T. Böhlke, ITM
Ziel
Einführung in die grundlegenden Prinzipien der Variationsrechnung und die
Variationsprinzipien der Mechanik sowie in die Homogenisierungsmethoden
zur Beschreibung von Werkstoffen mit Mikrostruktur
Inhalt
• Grundlagen der Variationsrechnung
• Funktionale; Frechet-Differential; Gateaux-Differential; Extremwertprobleme; Grundlemma der
Variationsrechnung und Lagrange’scher Delta-Prozess; Euler-Lagrange-Gleichungen
• Anwendungen: Prinzipien der Kontinuumsmechanik
• Variationsprinzipien der Mechanik; Variationsformulierung des Randwertproblems der Elastostatik;
Verfahren von Ritz; Finite-Element-Methode
• Anwendungen: Homogenisierungsmethoden für Werkstoffe mit Mikrostruktur
• Mesoskopische und makroskopische Spannungs- und Dehnungsmaße
• Homogenisierung elastischer Werkstoffeigenschaften I:
Elementare Schranken nach Voigt und Reuss; Hashin-Shtrikman-Schranken
• Homogenisierung elastischer Werkstoffeigenschaften II:
Abschätzungen effektiver elastischer Eigenschaften
33 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Kontinuumsmechanik der Festkörper und Fluide
T. Böhlke, B. Frohnapfel, ITM / ISTM
In der Vorlesung wird eine kompakte Einführung in die Kontinuums-
mechanik der Festkörper und Fluide gegeben. Die Einführung
schließt eine Behandlung der Kinematik deformierbarer Körper,
der Bilanzgleichungen der Mechanik und Thermodynamik sowie
eine einfache Materialtheorie ein.
In Fallstudien und im begleitenden Rechnerpraktikum werden
Lösungen der verschiedenen Materialmodelle mit besonderem
Fokus auf die Unterschiede und die Gemeinsamkeiten von
Festkörpern und Fluiden sowie thermomechanische
Kopplungen diskutiert.
Inhalt
• Einführung in die Tensorrechnung
• Kinematik
• Bilanzgleichungen der Mechanik und Thermodynamik
• Materialtheorie der Festkörper und Fluide
• Feldgleichungen für Festkörper und Fluide
• Thermomechanische Kopplungen
• Dimensionsanalyse
34 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Simulation eines Tiefziehversuchs
mit einem anisotropen Material
Ziel
einführende Darstellung der Finite-Element-Methode (FEM)
zur Vorbereitung auf eine Tätigkeit in Berechnungs- bzw.
Konstruktionsabteilungen
Inhalt
• Einführung, Motivation, Elemente der Tensorrechnung
• Diskrete FEM: Stab- und Federsysteme
• Formulierung eines Randwertproblems (1D)
• Approximationsansätze in der FEM
• FEM für skalare und vektorwertige Feldprobleme
• Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme
Ergänzungsfach
Einführung in die Finite-Element-Methode
T. Böhlke, T.-A. Langhoff, ITM
35 04.08.2020
IAM-CMS
Schwerpunkt 49 -- Zuverlässigkeit im Maschinenbau
Prof. Dr. Peter Gumbsch
Ergänzungsfach
Finite-Element-Workshop
I. Tesari, C. Mattheck, D. Weygand, IAM-WBM / CMS
Ziel
• Durchführung von Spannungsanalysen für einfach Bauteile
mit Hilfe der kommerziellen Finite Element Software ANSYS
• Optimierung der Gestalt von Bauteilen hinsichtlich der Spannungsverteilung
mit Hilfe der Methode der Zugdreiecke
Inhalt
• Finite Element Methode
Modellierung, Analyse, Post-Processing
• Kerbspannungen
Spannungsanalysen an
Bauteilkonkavitäten (Kerben)
• Methode der Zugdreiecke
Kerbformoptimierung mit
der Zugdreieckmethode