Derzeit am IMCS bearbeitete Forschungsprojekte

 

Individuelle Fließfertigung für Betonfertigteile

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Fördergeber Bayerisches Verbundforschungsprogramm (BayVFP)
Zeitraum 2023-2025
Partner

Max Bögl

FIT AG

Institut und Labor für Konstruktiven Ingenieurbau, UniBw München

Kurzbeschreibung

Im Rahmen des Verbundvorhabens Individuelle Fließfertigung für Betonfertigteile (IFB) wird eine durchgängig digitale Prozesskette zwischen Planung und Fertigung von Stahlbetonbauteilen geschaffen. Gleichzeitig werden modulare Fertigungslösungen unter Einsatz von Robotik und 3D-Druck entwickelt.

Der Hauptbeitrag vom IMCS besteht in der Optimierung von Bewehrungsgeometrien in nicht Standard Stahlbetonbauteilen. Herkömmliche Berechnungsverfahren resultieren bei solchen Bauteilen zu einer Überdimensionierung und damit zu einem nicht optimalen Einsatz von Ressourcen. Der am IMCS Entwickelte Ansatz baut auf modernsten gemischt-dimensionalen Kopplungsverfahren auf um den Verbund Stahlbeton möglichst detailgetreu und effizient zu simulieren. Dies erlaubt die Anwendung von Formoptimierungsalgorithmen für die Bewehrungsgeometrie.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit starker Partner aus der bayerischen Bauwirtschaft (Max Bögl), der additiven Fertigung (FIT AG) sowie der Forschung (Institut und Labor für Konstruktiven Ingenieurbau, UniBw München).

Kontakt am IMCS

Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp, Dr.-Ing. Ivo Steinbrecher

 

Steuerbare Metamaterialien und intelligente Strukturen

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Fördergeber Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Zeitraum 2022 -
Partner

Tschechische Akademie der Wissenschaften Prag

Westböhmische Universität Pilsen

Kurzbeschreibung

Ziel dieses Projekts ist die Erforschung der Metamaterialeigenschaften von lokal periodischen Strukturen, die aus herkömmlichen und intelligenten Materialien bestehen. Die Steuerbarkeit durch elektroaktive Komponenten und geometrische Anordnungen, die sowohl zeitlich als auch räumlich variieren, bieten einige neue Merkmale, die sich von herkömmlichen passiven Metamaterialien unterscheiden.

Neue Ansätze beruhen auf steuerbaren und anpassungsfähigen Strukturen, die mit eingebetteten Aktoren und Sensoren ausgestattet sind und ein höheres Maß an Multifunktionalität bieten, z. B. die Fähigkeit Schwingungen und Wellenausbreitung zu steuern, die Form zu verändern oder die Steifigkeit in Raum und Zeit zu modifizieren.

Die Forschungsarbeiten sind in ein internationales Konsortium eingebettet und werden in enger Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Partnern an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag (Tschechische Republik) und an der Westböhmische Universität in Pilsen (Tschechische Republik) durchgeführt.

Kontakt am IMCS

Prof. Dr.-Ing. Alexander PoppDr.-Ing. Sebastian Brandstäter, Moritz Frey M.Sc.

 

Mehrskalen-Algorithmen und Simulation für die patientenspezifische Optimierung von endovaskulären Eingriffen bei zerebralen Aneurysmen

 

Fördergeber DFG Schwerpunktprogramm 2311
Zeitraum 2021-2024
Partner Lehrstuhl für Numerische Mathematik, TU München, Abteilung für Neuroradiologie, Klinikum rechts der Isar, TU München
Kurzbeschreibung
In diesem Projekt, das in das DFG-Schwerpunktprogramm 2311 eingebettet ist, wird ein kontinuumsmechanischer Ansatz für die Simulation der endovaskulären Intervention in Hirnaneurysmen durch Coiling, Woven EndoBridges (Web) oder Flow Diverter entwickelt. Er zielt auf die patientenindividuelle Verbesserung der Behandlung von Hirnaneurysmen durch prädiktive Simulation und Optimierung.
 
Das IMCS ist aktiv an der numerischen Modellierung der verschiedenen Medizinprodukte und der beteiligten biochemischen Prozesse der Blutgerinnung im Aneurysma beteiligt. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern werden die Implantat- und Gerinnungsmodelle mit einem Lattice-Boltzman-basierten arteriellen Modell des Blutflusses gekoppelt, um das langfristige Behandlungsergebnis vorherzusagen und die Erfolgschancen zu quantifizieren.
Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp, Dr. Ing. Matthias Mayr, Martin Frank M.Sc.

 

Mehrskalige Modellierung des thermomechanischen Reibkontakts von komplexen Problemen in technischen Anwendungen

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Fördergeber Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricera (MIUR)
Zeitraum 2018-2020, 2021-2024
Partner MUSAM Lab, IMT School for Advanced Studies Lucca, Italien (Prof. Paggi)
Kurzbeschreibung
 
Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines effizienten numerischen Zwei-Skalen-Schemas. Dabei sollen implizite Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) auf der Makro-Skala und die Boundary-Elemente-Methode (BEM) auf der Mikro-Skala zum Einsatz kommen. Mit Hilfe dieses Ansatzes wird die genaue Lösung von Reibungs- und thermomechanischen Kontaktproblemen mit mikroskopischer Grenzflächenrauhigkeit berechnet. Das gesamte Spektrum der Reibungszustände, von der vollständigen Haftung über Zwischenzustände bis hin zum vollständigen Gleiten, wird ebenso behandelt wie jeder komplexe Belastungspfad. Das Zwei-Skalen-Modell wird mit einem vollständig aufgelösten 3D-FEM-Modell unter Verwendung von High-Performance-Computing (HPC)-Techniken verglichen. Reibungskontaktprobleme sind in vielen technischen und physikalischen Forschungsbereichen von Bedeutung. Im Maschinenbau treten sie bei Konfigurationen wie dem Rad-Schiene-Kontakt, Lagern, Bremsen oder Rad-Asphalt-Kontakt auf. Zu den Anwendungen des thermomechanischen Kontakts gehören Schraubverbindungen unter Temperaturbelastung und Schrumpfverbindungen. Reibung ist auch für die Wechselwirkung zwischen Boden und Pfahlgründung im Bauwesen und in der Geotechnik von Interesse, und in der Biomechanik führt die Relativbewegung in Hüftgelenksprothesen zu Abrieb. In all diesen Szenarien ist die Grenzfläche zwischen sich berührenden Körpern nicht mikroskopisch flach, sondern ihre Rauheit weist vielschichtige Merkmale auf, die die Verformung und die Spannungszustände im Material beeinflussen.
 
Das Projekt umfasst die Entwicklung einer BEM-Software auf Mikroebene namens MIRCO, ein Akronym für MUSAM-IMCS Rough Contact cOde. MIRCO wird aktiv weiterentwickelt und ist frei zugänglich. Es kann als konstitutives Kontaktgesetz in anderen FEM-Softwarepaketen verwendet werden, indem es als Bibliothek genutzt wird und steht auf GitHub zur Verfügung.
 
Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp, Rishav Shaw M.Sc., Jacopo Bonari Ph.D.

 

Algebraische Mehrgitterverfahren zur Vorkonditionierung von Blocksystemen

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Fördergeber Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr (dtec.bw)
Zeitraum 2021-2024
Partner Institute im dtec.bw Project HPC.bw
Kurzbeschreibung Algebraische Mehrgitterverfahren spielen in moderner Simulationssoftware eine entscheidende Rolle bei der Lösung von linearen Gleichungssystemen. Speziell in der Vorkonditionierung von Multi-Physik Blocksystemen können effizient implementierte Algorithmen die Simulationszeit erheblich verringern. Innerhalb des Forschungsprojektes werden einerseits Ansätze zur Behandlung der problemspezifischen Block-Struktur der zu Grunde liegenden Matrix als auch neuartige algebraische Mehrgitteransätze entwickelt. Dies umfasst unter anderem die Neu- und Weiterentwicklung von Block- sowie Einzelfeldglättern. Als Softwarumgebung dient das Multigrid-Framework Muelu, welches in die Open-Source Bibliothek Trilinos eingebettet ist (Trilinos/MueLu). Anwendung finden die neu entwickelten Verfahren vor allem in der parallelen Simulationen von Balken-Festkörper und Fluid-Struktur Interaktionen, sowie thermischen Kontaktproblemen.
Kontakt am IMCS

Dr.-Ing. Matthias Mayr, Max Firmbach M.Sc.

 

Hoch effiziente und parallel skalierbare Mortar-Methoden für Kontakt- und Mehrfeldprobleme

Zeitraum 2021 - 
Partner 4C-Projektpartner an der TU München und am Helmholtz Zentrum Hereon
Kurzbeschreibung

Das Ziel des Promotionsprojektes ist die Weiterentwicklung der Kopplung physikalischer Mehrfeldprobleme mittels Mortar-Methoden mit besonderem Fokus auf die Anwendung im Bereich der nicht-linearen Kontaktmechanik. Aufgrund der intrinsisch nicht-linearen Natur der eingeführten Zwangsbedingungen an der Kontakoberfläche entstehen deutlich erhöhte Anforderungen unter anderem an Kontakt-Such-Algorithmen, nicht-lineare Löser, optimale Vorkonditionierung linearer Gleichungssysteme, eine vollständig konsistente Linearisierung des Problems für implizite Zeitintegration, sowie Mortar-spezifische Operationen wie z.B. die Berechnung der Netzverschneidung an der Kontaktfläche innerhalb jeder Newton-Iteration.

Hochaufgelöste Simulatiosmodelle von Kontaktproblemen bestehen potentiell aus mehreren Millionen Freiheitsgraden, erfordern jedoch höhere Rechenleistung als vergleichbare Probleme aus der reinen Festkörpermechanik. Daher ist die Implementierung in einem parallelen Framework unumgänglich. Der erste Schritt des Promotionsprojekts ist die Entwicklung eines hoch parallel skalierbaren Frameworks in einer MPI-basierten "Distributed Memory Environment”, einer unabhängig verteilten Volumen- und Mortardiskretisierung, sowie eine optimale Lastverteilung auf den physikalischen Prozessorkernen. Die Implementierung erfolgt im Multiphysics Framework “4C” (in Kooperation mit der TU München und dem Helmholtz Zentrum Hereon).

Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander PoppDr.-Ing. Matthias Mayr, Christopher Steimer M.Sc.

 

Nutzung der Eigenfrequenzen zur Identifikation von Rissencrack_identification.png

Zeitraum 2021-
Kurzbeschreibung Im Mittelpunkt des Projekts steht die näherungsweise Berechnung von Eigenwerten verschiedener Differentialoperatoren auf Gebieten mit Rissen mithilfe isogeometrischer Analysis. Dabei sollen Methoden entwickelt werden, die es ermöglichen, dass die simulierten Eigenwerte möglichst genau die in der Praxis messbaren Eigenfrequenzen von Testobjekten mit Rissen darstellen und auch entsprechende Konvergenzergebnisse gezeigt werden. Anschließend sollen diese Eigenfrequenzen genutzt werden, um den Riss zu identifizieren, d.h., die Form des Risses zu bestimmen. Dieses inverse Problem soll mit einem neuronalen Netz gelöst werden, für dessen Training wir möglichst hochqualitative Simulationsdaten benötigen, um eine sinnvolle Anwendung in der Praxis garantieren zu können.
Kontakt am IMCS

Prof. Dr. Thomas Apel, Philipp Zilk M.Sc.

 

Kombination von Isogeometrischer Analyse, Finite-Elemente-Methoden und Embedded-Mesh-Kopplungsverfahren für Kontaktprobleme

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Fördergeber Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Zeitraum 2021-2024
Kurzbeschreibung

In den letzten Jahren wurden Kontaktformulierungen meist mit der klassischen Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelt. Ein typisches Finite-Elemente-Netz kann jedoch aufgrund der C0-Stetigkeit an Elementschnittpunkten kein kontinuierliches Normalenvektorfeld liefern. Eine gängige Lösung besteht darin, das Netz an der Kontaktoberfläche zu verfeinern, was zu einer unnötigen Ausdehnung der verfeinerten Elemente in das Domänenvolumen führt. Um eine Kontinuität höherer Ordnung an der Kontaktoberfläche zu erreichen, wurden in letzter Zeit Kontaktformulierungen unter Verwendung der Isogeometrischen Analyse (IGA) entwickelt. Diese verwenden typischerweise NURBS-Formfunktionen für die Geometriebeschreibung sowie die Approximation des Lösungsfeldes. Allerdings reichen die NURBS-Elemente wiederum in das Domänenvolumen hinein, wo ihre Kontinuität höherer Ordnung nicht unbedingt mehr Vorteile bietet (aufgrund der geringeren Regelmäßigkeit von Kontaktproblemen), sondern eher Rechenkosten verursacht. 

In diesem Projekt schlagen wir eine Trennung des Vernetzungsprozesses für die Kontaktoberfläche und für das innere Gebiet der beteiligten Körper vor, da die beiden Bereiche unterschiedliche Anforderungen an Kontinuität, Elementtyp, Netzorientierung und Netzverfeinerung stellen. Für die Diskretisierung die Kontaktoberfläche wird ein oberflächenorientiertes Randschichtnetz aus NURBS-Elementen erzeugt, die lokal an gewünschten Stellen verfeinert werden kann, ohne die Netzauflösung im Innenvolumen zu beeinflussen. Der Volumenbereich wird dagegen mit klassischen hexaedrischen finiten Elementen auf kartesischen Gittern in der Referenzkonfiguration diskretisiert. Daraus ergeben sich zwei unabhängige, aber überlappende Netze, die über Embedded-Mesh-Kopplungsverfahren konsequent miteinander gekoppelt werden. Dazu werden geeignete Mortar-/Lagrange-Multiplikator-Methoden sowie die Nitsche-Methode untersucht.
Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp, Eugenia Gabriela Loera Villeda M.Sc.

 

Kombination von Daten- und Physik-basierten Methoden in hybriden digitalen Zwillinge

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Fördergeber Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr (dtec.bw)
Zeitraum 2021-2024
Partner Institute des dtec.bw Projekts RISK.twin im Rahmen des Forschungszentrums RISK
Kurzbeschreibung

In diesem Projekt werden Methoden für hybride digitale Zwillinge von kritischen Infrastrukturen untersucht und weiterentwickelt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Kombination von Physik-basierter Modellierung mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) und datenbasierter Modellierung mit maschinellen Lernverfahren.

Der erste Anwendungsfall sind Stahlbetonbrücken. Auf der Seite der physikalischen Modellierung wird ein gemischt-dimensionales FEM-Modell für Stahlbetonbauteile entwickelt. Ergänzend dazu werden Varianten von neuronalen Netzen untersucht. Beide werden kombiniert, um das Materialmodell mit Messdaten zu verbessern und um ein Modell reduzierter Ordnung für das physikalische Systems abzuleiten. 

Dabei wird auf die Allgemeinheit und Anwendungsunabhängigkeit der Methoden geachtet, sodass die entwickelten Techniken auch von den Projektpartnern genutzt werden können. Neue Algorithmen werden in Form einer eigenen Softwarelösung implementiert. Eine zugehörige Hardwareplattform für Hochleistungsrechnen wird im Data Science & Computing Lab bereitgestellt.

Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp, Dr.-Ing. Max von Danwitz, Bishr Maradni M.Sc., Tarik Sahin M.Sc.

 

Gemischt-dimensionale Modelle für die Interaktion zwischen Fasern und Fluiden

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Zeitraum 2018-
Kurzbeschreibung Dieses Projekt zielt darauf ab, hocheffiziente gemischt-dimensionale Mortar-Finite-Elemente-Methoden zu entwickeln, die speziell auf die Modellierung der Wechselwirkung von sehr schlanken Stäben mit den 3-dimensionalen inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen zugeschnitten sind. Die Wechselwirkung solcher balkenartigen Strukturen mit Fluidströmungen spielt eine wichtige Rolle in einem breiten Spektrum von Anwendungen, die von biomechanischen bis zu industriellen Prozessen reichen. Zu diesen Anwendungen gehören beispielsweise die Wechselwirkung endovaskulärer Geräte mit Blutfluss und der Einsatz faseriger Verkleidungen zur Strömungskontrolle.
 
Am IMCS konzentrieren wir uns auf die Entwicklung spezieller 1D-3D-Kopplungsansätze, die relativ grobe Hintergrundnetze zulassen, um die Vorteile - z.B. in Bezug auf die Systemgröße, die Löserzeit sowie die Auswertung der Kopplungsterme selbst - der Verwendung einer reduzierten-dimensionalen Strukturformulierung zu erhalten. Besonderes Augenmerk wird auf die Anwendung effizienter und skalierbarer paralleler Algorithmen gelegt, die in der Lage sind, große und komplexe technische Anwendungen zu bewältigen.
Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander PoppDr.-Ing. Matthias MayrNora Hagmeyer M.Sc.

 

Gemischt-dimensionale Kopplungsverfahren in der Festkörpermechanik

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Zeitraum 2018-
Partner Lehrstuhl für Numerische Mechanik, TU München
Kurzbeschreibung In einer Vielzahl von technischen und biomechanischen Anwendungen kommt es zu einer Kopplung zwischen dünnen Fasern und allgemeinen dreidimensionalen Körpern (Volumina), um die mechanischen Eigenschaften der gekoppelten Struktur zu verbessern. In diesem Projekt werden neuartige Kopplungsmethoden für solche Probleme entwickelt, wobei die Fasern mit Hilfe eindimensionaler (1D) Balkentheorien modelliert werden, wodurch sich eine sehr genaue und numerisch effiziente Formulierung ergibt. Für die 3D-Festkörper werden Finite Elemente Methoden (FEM) nach aktuellstem Stand der Technik verwendet. Aus diesem Grund bezeichnet man solche Ansätze auch als gemischt-dimensionale Kopplung (mixed-dimensional coupling). Diese gemischt-dimensionalen Kopplungsmethoden ermöglichen eine sehr einfache Modellerstellung, da beispielsweise die 1D-Fasern und der 3D-Körper völlig unabhängig voneinander diskretisiert werden können. Im Zuge dieses Projektes konnten bereits erfolgreich Kopplungsverfahren für eingebettete Fasern in Volumen (1D-3D) und Fasern verbunden mit Oberflächen (1D-2D) basierend auf Mortar/Lagrange-Multiplikator-Methoden entwickelt werden. Einer der nächsten herausfordernden Schritte ist die Konzeption und Implementierung von Kontaktalgorithmen zwischen 1D-Fasern und 2D-Oberflächen.
Kontakt am IMCS Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp, Dr.-Ing. Ivo Steinbrecher

 

Optimalsteuerprobleme für elliptische Variationsungleichungen

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Fördergeber Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
innerhalb des Internationalen Graduierten- und Doktorandenkollegs IGDK 1754 mit dem Titel
Optimization and Numerical Analysis for Partial Differential Equations with Nonsmooth Structures
Zeitraum 2017-2022
Partner Technische Universität München (Prof. Vexler)
Technische Universität Graz (Prof. Steinbach)
Kurzbeschreibung

Das Projekt beschäftigt sich mit der optimalen Steuerung von Variationsungleichungen. Neben a priori Fehlerabschätzungen für Finite-Elemente Diskretisierungen von Optimalsteuerproblemen für elliptische Variationsungleichungen werden auch verschiedene Regularisierungsstrategien untersucht. Weiter Informationen sind hier zu finden.

Kontakt am IMCS

Prof. Dr. Thomas Apel, Christof Haubner M.Sc.