Forschungsfelder und der Leichtbau-Dreiklang
Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Arbeit des Instituts für Strukturmechanik und Leichtbau stehen das Bauteil im Einzelnen und die Tragstruktur als Ganzes. Die Forschung konzentriert sich dabei auf die Modellierung, Optimierung und Digitalisierung dieser Strukturen integriert in den Kontext des umgebenden technischen Systems.
Modellierung
Die wesentlichen Entscheidungen im Leichtbau werden zu Beginn des Produktentwicklungsprozesses (PEP) getroffen. Diese Phase ist jedoch durch eine Vielfalt von Lösungsvarianten bei gleichzeitigem Mangel an Informationen gekennzeichnet. Hier helfen effiziente Strukturmodelle, sich diese Informationen zu beschaffen. Das SLA entwickelt reduzierte Modelle für neue Bauweisen und Lasten. Wir beschreiben Modelle diese analytisch und validieren sie experimentell. Nichtlineare Geometrie-, Material- und Versagensmodelle integrieren wir in die reduzierten Formulierungen. Wir machen die reduzierten Modelle für numerische Berechnungen nutzbar. Das SLA besitzt dadurch die einzigartige Fähigkeit, typische Leichtbauweisen wie Sandwich, Schubfeldträger und Gitterstrukturen in Vorentwürfen effizient und aussagekräftig einzusetzen und trägt somit zur Verbreitung neuer Leichtbauweisen bei.
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Optimierung
Leichtbau ist Strukturoptimierung. Doch heute findet Optimierung auf vielen Ebenen statt: Gewicht, Kosten, Nachhaltigkeit. Das SLA entwickelt die Zielfunktionale und Nebenbedingungen nicht-statischer Funktionen von Strukturen. Wir sind somit in der Lage, die Optimierungsprobleme für multifunktionale Strukturen zu formulieren. Wir formulieren die Zielfunktionen und Nebenbedingungen für neue Bauweisen und Lasten und wir entwickeln auf dieser Basis numerische Optimierungsalgorithmen. Das SLA besitzt somit die Fähigkeit, Strukturen in neuen Bauweisen und unter Berücksichtigung multiphysischer Aspekte zu optimieren. Wir können multifunktionale Strukturen handhaben, die mehr Freiheitsgrade als die geometrischen Abmessungen besitzen.
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Digitalisierung
Strukturen werden zu Systemen. Denn zukünftig werden Strukturen digital verknüpft und eingebettet in das sie umgebende technische System sein. Das SLA denkt Strukturen neuartig als hierarchisch aufgebaute Datenstruktur. Wir entwickeln ein über die gesamten Phasen des PEPs konsistentes Datenmodell, dass mit zunehmender Detaillierung mit Daten aufgefüllt wird. Wir entwickeln Strukturklassen und –objekte. Wir wandeln Strukturen durch Sensorintegration zu Systemen und verschaffen so der digitalen Welt den Zugang zur realen Welt. Das SLA arbeitet arbeitet an der Vision, Strukturen über den gesamten Produktlebenszyklus konsistent digital abzubilden. Wir programmieren Strukturen und entwickeln den Digitalen Zwilling von Strukturen.
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Raumfahrzeuge und Satelliten
Extreme Geschwindigkeiten, extreme Temperaturbelastungen, extremer Leichtbau - diese Merkmale kennzeichnen den Strukturentwurf in der Raumfahrt. In der Anwendung für Raumfahrzeuge und Satelliten werden die Forschungsergebnisse des Instituts unter diesen Gesichtspunkten neu bewertet und in die Gesamtsysteme von Raumflugkörpern integriert.
Der Dreiklang des Leichtbaus
Die Berechnung und Optimierung von Strukturbauteilen im Leichtbau erfordert den Gleichschritt von Test, Numerik und Analytik. Denn nur über eine ganzheitliche Methodik lassen sich effiziente Lösungen entwickeln, die auch in der Anwendung umsetzbar sind.
In unseren Forschungsansätzen versuchen wir daher stets, unsere wissenschaftliche Arbeit auf diesen drei Säulen aufzustellen. Dabei zeigt uns der Versuch, mit welchen Phänomenen wir uns auseinandersetzen müssen. Versuche sind jedoch zeitaufwendig und teuer. Ihre Anzahl ist daher begrenzt und wir bekommen nur einen kleinen Ausschnitt der möglichen Konfigurationen zu sehen. Hier kommt die Numerik zum Tragen: Computersimulationen mit an Experimenten validierten Modellen ermöglichen eine Aufweitung des Parameterraums und lassen uns das Zusammenspiel der einzelnen Einflussfaktoren sehen. Um das Strukturverhalten letztlich jedoch verstehen zu können, benötigen wir das analytische Modell. In diesem werden die Wechselwirkungen der Parameter mathematisch beschrieben. Erst ab diesem Zeitpunkt ist eine zielgerichtete Optimierung der Struktur möglich. Der Kreislauf ist geschlossen.