Mehrfeldmechanik

 

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Überblick

Die Forschung umfasst die Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung in den Bau- und Umweltingenieurwissenschaften. Der Schwerpunkt liegt bei der Entwicklung von Methoden und numerischen Modellen zur Simulation großer Strukturen und Anwendungen in der Geotechnik, Geophysik, Strukturmechanik und Energie. Dabei sind die Modellvalidierung, die Implementierung von Multiskalenmodellen, die Anwendung von datenbasierten Materialmodellen, die Entwicklung von quelloffenen Softwares und der Einsatz von künstlicher Intelligenz von großer Bedeutung.

 

Machine learning im Rahmen der Multiskalenmodellierung

Rekurrierende neuronale Netze in Kristall Plastizität Urheberrecht: IAM

Machine Learning ist im Rahmen der Multiskalenmodellierung ein hilfreiches Instrument. Dadurch können „Deep“ rekurrierende neuronale Netze zur Erzeugung eines objektiven, pfadabhängigen, anisotropen ML-Materialmodelles gebildet werden. Des Weiteren erlaubt die Generierung von datenbasierten ML-Materialmodellen eine Berücksichtigung von mikrostrukturellen Informationen, die in konventionellen Materialmodellen nicht erfasst werden können. Deep Reinforcement Learning kann zudem als Werkzeug zur automatischen Ermittlung der optimalen NN-Meta-Parameter in Verbindung mit der Erfüllung einer vordefinierten Bedingung angewendet werden. DRL in Materialmodellierung stellt dabei eine fortlaufende Zusammenarbeit mit der Columbia University in den USA dar.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Yousef Heider

 

Erweiterte kontinuumsmechanische Beschreibung von Festkörpern sowie von gesättigten und ungesättigten porösen Materialien

Fundamente für Offshore-Windenergieanlagen Urheberrecht: IAM

Kontinuumsmechanische Beschreibungen umfassen thermodynamisch konsistente, nicht-lineare, inelastische Stoffmodelle. Es werden stabile Lösungen stark gekoppelter Probleme mit zum Beispiel hybriden Strategien aus monolithischen und gestaffelten Zeitschrittverfahren entwickelt. Wichtig ist auch die Berücksichtigung der Materialheterogenität bei der kontiuumsmechanischen Beschreibung.
Aktuelle Anwendungen finden sich in den Bereichen Seismologie, Windenergie und Geotechnik.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Yousef Heider

 

Hydraulische und trocknungsbedingte Bruchmodellierung und Validierung mittels der Phasenfeldmethode

Bruchmodellierung und Validierung von Beton Urheberrecht: IAM

Bei der Bruchmodellierung und Validierung liegt der Fokus nicht nur auf gesättigten, sondern auch auf ungesättigten porösen Medien. Dabei werden diffusive Phasenfeldmodellierungen von Brüchen erstellt. Aktuelle Anwendungsbereiche sind die Geothermie, zum Beispiel das Hot-Dry-Rock-Verfahren, Biomechanik zum Beispiel ein Bandscheibenvorfall und Landwirtschaft, zum Beispiel trocknungsbedingte Risse in Ton.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Yousef Heider

 

Thermo-hydromechanische Modellierung und experimentelle Validierung von Phasenwechselmaterialien- gesättigten porösen Medien

Baugrundvereisung im Tunnelbau Urheberrecht: IAM

Aktuelle Anwendungen befinden sich in der thermischen Energiespeicherung, Geotechnik, zum Beispiel Baugrundvereisung und Frosthebung und Mechanik, beispielsweise Eigenspannungen beim Wolfram-Inertgas-Schweißen.

Ansprechpartner: M.Sc. Abdel Hassan Sweidan, Dr.-Ing. Yousef Heider

 

Kombinierte MD - PFM Bruchsimulation

CaCo3 Bruch Urheberrecht: IAM

Bruchmechanik ist seit dem 19. Jahrhundert ein Gebiet, das mit umfangreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen erforscht wird. Trotzdem ist die Multiskalen-Modellierung des Bruchs in der Literatur kaum vorzufinden, besonders für den Nano-Makro-Übergang.

Hier wird eine neuartige gekoppelte Methode für Sprödbruch vorgestellt, welche für sehr spröde Materialien, insbesondere Aragonit-Kristalle, also Perlmutt, geeignet ist. Es bietet eine effiziente und präzise Ermittlung der Parameter des Bruchphänomens sowie deren Verständnis. In diesem Sinn finden die physikalisch motivierten MD-Simulationen für die Rissmodellierung auf der Nano-Skala statt, während eine makroskopische Modellierung des Bruchs mit der diffusen Phasenfeldmodellierung durchgeführt wird. Eine Verbindung zwischen den beiden Modellsystemen wird durch das Einbinden der aus den atomistischen MD-Simulationen erhaltenen Parameter in die PFM hergestellt. Somit wird in diesem kombinierten Ansatz eine realistischere Bedeutung und physikalische Schätzung der PFM-Parameter erzielt. Der vorgeschlagene Berechnungsansatz, der diskrete sowie kontinuumsmechanische Ebenen umfasst, kann die Multiskalen-Modellierung zur Berechnung der verschiedenen Parameter unterstützen, um beispielsweise die Simulation von biologischen Kompositamaterialien oder die Entwicklung neuer Materialien zu vereinfachen.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Sandeep Patil, Dr.-Ing. Yousef Heider

 

Multiskalen-Modellierung von gesättigten und ungesättigten porösen Materialien:

Lattice-Boltzmann-Methode Urheberrecht: IAM

Eine wichtige Methode innerhalb der Multiskalen-Modellierung ist die Lattice-Boltzmann-Methode. Sie wird für die Modellierung von Flüssigkeitsströmung auf der Mikroskala in Palabos Software eingesetzt. Die numerische Simulation poröser Medien auf den Grundlagen der Kontinuumsmechanik erfolgt durch die Anwendung der "Theorie poröser Medien", wobei die hydraulischen Materialparameter, wie die Permeabilität, aus den LBM-Simulationen extrahiert werden.

Ansprechpartner: M.Sc. Mohamad Chaaban, Dr.-Ing. Yousef Heider

 

Multiskalen-Modellierung und experimentelle Validierung des Flusses von körnigen Materialien

experimentelle und DEM-Simulation des Schüttwinkels von SpheroLac 100 Urheberrecht: IAM

Die Diskrete-Elemente-Methode wird für die Modellierung auf der Mikroskala in der open-source Software LIGGGHTS eingesetzt. Beispielhafte Anwendungen finden sich im Verhalten von frei fließenden und kohäsiven Pulvern.

Ansprechpartner: M.Sc. Bilal El Kassem,Dr.-Ing. Yousef Heider