Forschung am Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik

Am IBNM entwickeln wir Multiskalen- und Multiphysik-Modellierungsframeworks, die das komplexe Verhalten von Ingenieurmaterialien über verschiedene räumliche und zeitliche Skalen erfassen. Unsere Forschung umfasst ein breites Spektrum an Materialien und Anwendungen, darunter Beton, Metalle und aufkommende Technologien wie 3D-gedruckter Beton. Diese Materialien zeigen häufig stark gekoppeltes mechanisches, chemisches, thermisches und umweltbedingtes Verhalten, das fortgeschrittene numerische Methoden erfordert.

Wir kombinieren Kontinuumsansätze, diskrete Modellierungsmethoden und beschleunigte Rechentechniken, um das Materialverhalten vom Mikroskalen-Niveau bis hin zur vollständigen Strukturantwort detailliert abzubilden. Dadurch können wir wichtige Mechanismen wie Rissbildung, Plastizität, Materialabbau und Transportprozesse präzise untersuchen. Unsere Multiskalenmethoden ermöglichen zudem eine effiziente Homogenisierung und Skalenübertragung, sodass die Physik auf Mikroebene korrekt in den ingenieurmäßigen Vorhersagen abgebildet wird.

Mit diesen umfassenden Modellierungskapazitäten unterstützt unsere Arbeit die Entwicklung von zuverlässigeren, nachhaltigeren und leistungsfähigeren Materialsystmen und bietet zugleich leistungsstarke Werkzeuge für moderne Strukturtechnik und Materialwissenschaften.

Unsere Forschung entwickelt computergestützte Modelle, die Technologien der nächsten Generation zur Wasserstoffproduktion unterstützen, mit besonderem Fokus auf Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE). Während sich der globale Energiesektor auf kohlenstoffneutrale Systeme zubewegt, stellt die PEM-Elektrolyse einen wichtigen Weg dar, um hochreinen grünen Wasserstoff zu erzeugen. Trotz ihres Potenzials stehen dieser Technologie weiterhin zentrale Herausforderungen in Bezug auf Effizienz, Materialhaltbarkeit und Systemoptimierung gegenüber.

Am IBNM entwickeln wir multiphysikalische numerische Frameworks, die die eng gekoppelten elektro-chemo-hydro-mechanischen Prozesse innerhalb von PEMWE-Zellen erfassen. Diese Modelle ermöglichen die Analyse, wie Transportphänomene, Reaktionskinetik, mechanische Spannungen und langfristige Degradation innerhalb der komplexen mehrschichtigen Architektur von Elektrolysezellen interagieren. Durch Simulation realistischer Betriebsbedingungen gewinnen wir tiefere Einblicke in Leistungsverluste, Mechanismen struktureller Schäden und Haltbarkeitsgrenzen.

Insgesamt liefert unsere Arbeit eine robuste rechnerische Grundlage, um effizientere, zuverlässigere und kostengünstigere Technologien für die grüne Wasserstoffproduktion zu entwickeln und trägt somit zur breiteren Transformation hin zu nachhaltigen Energiesystemen bei.

Unser Institut entwickelt fortschrittliche, physikbasierte Methoden des maschinellen Lernens (ML), um die Vorhersagefähigkeiten in der computergestützten Mechanik zu erweitern. Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der Materialmodellierung von Bruch und Ermüdung, wobei ML-Modelle durch grundlegende physikalische Gesetze geleitet werden, um zuverlässige und interpretierbare Vorhersagen zu ermöglichen. Diese Modelle unterstützen die Lebensdauerabschätzung von Ingenieurmaterialien und bilden eine Schlüsselkomponente zukünftiger digitaler Zwillinge für Anwendungen wie Windkraftanlagen und Strukturen unter hochzyklischer Beanspruchung.

Darüber hinaus befassen wir uns mit der inversen Gestaltung von konstruierten und metamateriellen Strukturen, wobei physikbasierte ML-Ansätze genutzt werden, um optimale Materialstrukturen und leistungsorientierte Konfigurationen zu identifizieren. Parallel dazu entwickelt unsere Forschung Skalenübertragungs- und Homogenisierungstechniken mithilfe von ML, wodurch Informationen effizient von der Mikro- zur Makroskala übertragen werden können.

Zusammen treiben diese Ansätze die Grenzen der datengetriebenen und hybriden computergestützten Mechanik voran und zielen darauf ab, robuste, effiziente und physikalisch konsistente Werkzeuge für die Ingenieurpraxis der nächsten Generation bereitzustellen.

Unser Institut entwickelt fortschrittliche computergestützte Biomechanik-Methoden, um das Verhalten von medizinischen Geräten und biologischen Geweben über ihre gesamte Nutzungsdauer zu analysieren und vorherzusagen. Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der mechanischen Leistung, Korrosion und Ermüdung von Gefäßstützen (Stents), wobei wir alle Phasen modellieren, von der Implantation bis zur langfristigen In-vivo-Degradation, um sicherere und langlebigere Implantatdesigns zu unterstützen.

Darüber hinaus arbeiten wir an beschleunigten Rechenstrategien für Hüftimplantate und Hartgewebe, die eine effiziente Bewertung der mechanischen Integrität, von Verschleißmechanismen und der langfristigen Stabilität unter physiologischer Belastung ermöglichen. Ergänzend dazu erstreckt sich unsere Forschung auf die Bruchmechanik und das Versagen von Weichgeweben, wobei multiphysikalische und nichtlineare Materialmodelle entwickelt werden, um die komplexe, zeitabhängige Reaktion biologischer Materialien abzubilden.

Durch die Integration von Mechanik, Materialwissenschaften und Biomedizin trägt unsere biomechanische Forschung zur Entwicklung zuverlässigerer medizinischer Geräte, zur Verbesserung der Patientensicherheit und zu einem tieferen Verständnis der Mechanik biologischer Gewebe bei.

Unser Institut entwickelt fortschrittliche multiphysikalische Methoden, um die Wechselwirkung zwischen Korrosion und Ermüdung in Werkstoffen zu verstehen und vorherzusagen. Diese gekoppelten Abbauprozesse spielen eine entscheidende Rolle für die Langzeitleistung und Sicherheit zahlreicher Ingenieursysteme.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf stahlbewehrtem Beton, wobei wir computergestützte Frameworks entwickeln, die den gesamten Korrosions-Ermüdungsprozess abbilden, einschließlich Chlorideintrag, Karbonatisierung, Rostbildung, mechanischer Schäden sowie Rissinitiierung und -wachstum. Mithilfe von Phasenfeldmodellen in Kombination mit Ermüdungsmodellen können wir den Übergang von chemischer Degradation zu strukturellen Rissen konsistent und physikbasiert darstellen.

Darüber hinaus untersuchen wir Korrosions-Ermüdung in metallischen Materialien, insbesondere Lochfraß, Spannungsrisskorrosion und deren Wechselwirkung mit zyklischer Belastung. Diese Modelle ermöglichen die Analyse einer Vielzahl praktischer Anwendungen, wie Offshore-Strukturen, Brücken, Windenergieanlagen, Pipelines und anderer Bauteile in aggressiven Umgebungen.

Durch diese umfassenden Ansätze liefert unsere Forschung vorhersagbare Werkzeuge, die die Materialhaltbarkeit verbessern, Wartungsstrategien optimieren und die Sicherheit und Nachhaltigkeit kritischer Infrastrukturen erhöhen.

Unser Institut fördert die Theorie und computergestützte Modellierung poröser Medien, um Materialien zu beschreiben, deren mechanisches Verhalten und Transportprozesse durch die Wechselwirkung zwischen einem festen Gerüst und mit Flüssigkeit gefüllten Porennetzwerken bestimmt werden. Während sich klassische ingenieurtechnische Anwendungen auf Böden und Gesteine konzentrierten, umfassen moderne poröse Materialien nun Beton, Metall- und Polymer-Schäume, konstruierte Metamaterialien und bioinspirierte Mikrostrukturen. Diese Systeme zeigen komplexe Kopplungen zwischen Mechanik, Fluidströmung, Chemie und Wärme, die über mehrere räumliche und zeitliche Skalen hinweg erfasst werden müssen.

Am IBNM integrieren wir die Theorie poröser Medien in umfassende multiskalige und multiphysikalische Rechenframeworks. Dies ermöglicht die Darstellung der Mikroskalen-Porenstruktur und deren Einfluss auf das Gesamtverhalten des Materials. Unsere Modelle berücksichtigen Fluidtransport, Druckentwicklung, Deformation des Festkörpers und gekoppelte physikalische Prozesse, wodurch die Untersuchung von Konsolidierung, Materialschäden, Durchlässigkeitsänderungen und elektro-chemo-mechanischen Wechselwirkungen möglich wird.

Durch die Anwendung dieser Methoden auf unterschiedliche poröse Materialien, einschließlich Beton, Schäume und funktionale Metamaterialien, entwickeln wir vorhersagbare Werkzeuge, die Fortschritte in der Strukturtechnik, Energiesystemen, Filtrationstechnologien und fortschrittlichem Materialdesign unterstützen.