Abteilung 31 Berechnung

- Aufgaben / Fachliche Schwerpunkte
- Besondere Einrichtungen
- Ansprechpartner

Die Abteilung 31 Berechnung ist in folgende Referate gegliedert:

  • Referat 311  Werkstoffsimulation
  • Referat 312  Schweiß- und Fügetechnik
  • Referat 313  Numerische Bauteilanalyse
  • Referat 314  Betriebsfestigkeits- und Integritätsanalyse
  • Referat 315  Lebensdauermanagement und Zuverlässigkeitsanalyse
  • Referat 316  Hochgeschwindigkeitsbeanspruchung

Die Abteilung befasst sich schwerpunktmäßig mit rechnerischen Beanspruchungs- und Lebensdaueranalysen sowie Sicherheitsanalysen und Alterungsmanagement für Bauteile, Strukturen und Systeme des allgemeinen Maschinen- und Anlagenbaus, von Energieumwandlungsanlagen (konventionelle und nukleare Kraftwerkstechnik, Wasser- und Windkraft), der Verkehrstechnik und der Luft- und Raumfahrt.

Die verfügbaren Berechnungsverfahren und -modelle sind in der Lage jeden Abschnitt im Lebenszyklus eines Bauteils, einer Struktur oder eines Systems, beginnend bei der Herstellung bis zum Betrieb einschließlich der Entstehung von Schädigungen (Gefügeveränderung, Mikrorissbildung, Anrissbildung) und den unterschiedlichen Stufen des Versagens (Risswachstum, duktiler und verformungsarmer Bruch) zu beschreiben. Beispiele sind die Ermittlung von Spannungen, Dehnungen und Verformungen im Zuge der Herstellung (z. B. Schweißverbindung) und deren zeit- und ortsabhängige Umlagerung bei der Inbetriebnahme, die Quantifizierung der maximalen Beanspruchung im Betrieb, die Ermittlung der Ermüdungsausnutzung und die Simulation des Schädigungsablaufes sowie die Lokalisierung der Versagensorte.

Berechnungen und Nachweise werden auf der Grundlage der maßgeblichen Regelwerke erbracht, wie z. B. der harmonisierten europäischen Normen (EN 13445: Unbefeuerte Druckbehälter, EN 13480: Metallische industrielle Rohrleitungen, usw.), den Merkblättern der Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter (AD-2000), den Technischen Regeln für Dampfkessel (TRD), dem ASME Boiler and Pressure Vessel Code, sowie den Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA). Hierzu liegen die erforderlichen Rechenprogramme vor. Dies erfolgt auch im Zuge der technischen Überwachung im Auftrag von Aufsichtsbehörden.

Die Abteilung befasst sich darüber hinaus mit fertigungs- und verfahrenstechnischen Fragestellungen der Schweißtechnik. Für experimentelle Untersuchungen steht ein umfangreich ausgestattetes Schweißlabor zur Verfügung. Durch die Verknüpfung von numerischer Prozesssimulation und experimentellen Untersuchungen können für unterschiedlichste Schweißverfahren optimale anwendungsorientierte Lösungen ermittelt werden.

Die Abteilung verfügt über modernste numerische und analytische Berechnungsmöglichkeiten. Es kommen Finite Elemente Programme wie ANSYS, ADINA und Netzgenerierungs- und Auswerteprogramme mit Schnittstellen zu allen gängigen CAD-Systemen zum Einsatz. Die verfügbaren Rechenanlagen reichen von den Höchstleistungsrechnern am HLRS Stuttgart (NEC SX-8/512, HP zx6000 ia64-cluster, CRAY strider opteron cluster) bis zu eigenen lokalen Arbeitsplätzen auf Workstation- und PC-Basis.

Im Verbund mit dem Institut für hydraulische Strömungsmaschinen (IHS) der Universität Stuttgart können gekoppelte fluiddynamische und strukturmechanische Analysen durchgeführt werden. Im Rahmen des Kompetenzzentrums Gießen und Thixo-Schmieden (CCT) werden in Zusammenarbeit mit anderen Instituten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für Leichtbaukonstruktionen durchgeführt.

  Optimierung des Lebensdauermanagements in Wasserkraftwerken    
  Optimierung des Lebensdauermanagements in Wasserkraftwerken    
 Aufgaben / Fachliche Schwerpunkte
Forschung
  • Entwicklung und Anwendung von Werkstoffmodellen zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens mechanischer Komponenten
  • Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur Ermüdungsanalyse
  • Entwicklung von Verfahren zur experimentellen Bestimmung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte
  • Analyse des Trag- und Versagensverhaltens von Komponenten in Rohrleitungssystemen
  • Optimierung von Schweißprozessen zur Minimierung des Beanspruchungszustandes (Eigenspannungen, bleibende Verformungen)
  • Simulation der Notkühlung von Behältern
  • Atomistische Computersimulation der Bildung von Ausscheidungen in Stählen sowie atomarer Diffusion mit der Monte-Carlo Methode
  • Atomistische Modelle zur Analyse der Verformung und der Versagensmechanismen
  • 3D-Mikromodelle von realen Gefügen auf der Basis von Tomogrammen
  • 2D- und 3D-Simulation von Verformungs- und Bruchvorgängen in Mikrostrukturen
  • Berechnungen von Phasendiagrammen und von diffusionsgesteuerten Phasenumwandlungen
  • Berechnung der Schädigungskurve für zyklisch beanspruchte Faserverbundwerkstoffe im Turbinenbau
  • Anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der experimentellen und numerischen Schweiß- Fügetechnik
Numerische Simulation einer mehrlagigen Orbitalschweißnaht   Numerische Analyse einer Flanschverbindung bei inhomogener Vorspannung der Schrauben
Numerische Simulation einer mehrlagigen Orbitalschweißnaht   Numerische Analyse einer Flanschverbindung bei inhomogener Vorspannung der Schrauben
Entwicklung
  • Weiterentwicklung von Werkstoffgesetzen und schädigungsmechanischen Ansätzen und deren Einbau in Finite-Elemente-Codes
  • Weiterentwicklung bruchmechanischer Konzepte
  • Kopplung von Strömungs- und Strukturverhalten zur Lebensdaueranalyse und Simulation des Versagensverhaltens
  • Entwicklung von 3D-Modellen komplexer Mikrostrukturen (z. B. partikelverstärkte Metallmatrixverbundwerkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe im Turbinenbau)
  • Entwicklung von Konzepten zum Integritätsnachweis und Alterungsmanagement
  • Verfahrensentwicklung für innovative Gebiete der Schweißtechnik (z.B. Friction Stir Welding)
  Schädigungsmechanisches Modell zur Versagensanalyse  von Bauteilen beispielhaft für zähes Werkstoffverhalten    
  Schädigungsmechanisches Modell zur Versagensanalyse 
von Bauteilen beispielhaft für zähes Werkstoffverhalten
   
Prüfung / Ermittlung
  • Festigkeitsberechnungen und Festigkeitsnachweise auf der Grundlage technischer Regelwerke (DIN, EN, TRD, AD, KTA, ASME, ...)
  • Experimentelle und numerische Analyse des Schwingungsverhaltens (Eigenfrequenzen, Eigenformen, Dämpfung) von Bauteilen des Anlagen- und Maschinenbaus, z. B. Rohrleitungssysteme in chemischen Anlagen oder in Kraftwerken
  • Akkreditiertes Prüflaboratorium nach DIN EN ISO/IEC 17025 durch die DAP Deutsches Akkreditierungssystem Prüfwesen GmbH
  • Prüfungen an geschweißten Proben (ZfP, Festigkeit, Metallographie)
  • Prozessanalyse mittels Thermovision
Skalenverknüpfung Makro-Meso-Mikro-Nano
Skalenverknüpfung Makro-Meso-Mikro-Nano

In Abhängigkeit von der Relation der Größe zwischen den Bestandteilen der Mikrostruktur, kann ein Finite-Elemente-Modell aus mehreren hierarchisch angeordneten Submodellen aufgebaut werden. Bei mehreren Modellen werden die Randbedingungen aus der Berechnung vom "größeren Modell" gewonnen und auf das "kleinere Modell" übertragen. Damit wird eine Verknüpfung durch Informationstransfer zwischen den Längenskalen, sowie eine lokal höhere Auflösung bei bleibender Repräsentativität des Modells für das Gesamtgefüge, gewährleistet.

Untersuchungen / Analysen / Begutachtungen
  • Lebensdauer- und Ermüdungsanalysen mittels numerischer und analytischer Methoden (Tragfähigkeit, Tragfähigkeitsreserve, Ermüdungsausnutzung, Restlebensdauer, Tragfähigkeit und Tragfähigkeitsreserve)
  • Sicherheitsanalysen, Leck-vor-Bruch-Analysen und Integritätsnachweise für Bauteile und Systeme
  • Alterungsmanagement mechanischer Komponenten
  • Numerische Simulationen zur Optimierung des Eigenspannungszustandes von Schweißverbindungen
  • Numerische Simulation von Flanschverbindungen
  • Erstellung von Gutachten für Ministerien, Behörden und Industrie
  • Applikationen/Musterschweißungen und numerische Prozesssimulation (FEM) im Bereich der Füge- und Schweißtechnik
  • Untersuchungen werkstoffkundlicher und verfahrenstechnischer Vorgänge beim Fügen sowie Entwicklung innovativer Fügetechnologien für neue Werkstoffe.
Beratung
  • Beratung bei sicherheitstechnischen Fragestellungen
  • Optimierung von Lebensdauer- und Instandhaltungsmaßnahmen
  • Implementierung von zustandsorientierten Instandhaltungsstrategien
  • Unterstützung der mittelständischen Industrie mit wissenschaftlichen Methoden
  • Beratung bei der fertigungstechnischen Optimierung von Schweißprozessen und zur Qualitätssicherung in der Fertigung
Mitarbeit in Ausschüssen
  • Mitwirkung in regelwerksgebenden Gremien bei der Weiterentwicklung technischer Regelwerke (CEN, DIN, KTA) und in Ausschüssen von Fachverbänden (DECHEMA, DVM, DVS, DIN/ISO, ESIS, FDBR, VDI, VGB) sowie in DFG-Arbeitskreisen
  • Mitarbeit in internationale Forschungsnetzwerken (EPERC, NESC, NET) und Organisationen (OECD/NEA, IAEA)
  Zustandsorientierte Instandhaltung von  schwingungsbeanspruchten Systemen    
  Zustandsorientierte Instandhaltung von 
schwingungsbeanspruchten Systemen
   
Ausbildung von Studenten
  • Betreuung von Studien- und Diplomarbeiten
Information
  • Veröffentlichungen, Vorträge, Veranstaltungen von Workshops
 Besondere Einrichtungen
  • 2D und 3D FE-Programme zur Modellierung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens in idealisierten und realen Gefügetypen
  • Atomkraftmikroskop (AFM) zur Oberflächenanalyse
  • Messsystem zur optischen Bestimmung von Verschiebungs- und Dehnungsfeldern (Software: ARAMIS)
  • Molekulardynamik-Simulationsprogramm IMD vom ITAP / Universität Stuttgart
  • Simulationsprogramme auf der Grundlage der Monte-Carlo-Methode
  • Programm zur 3D Gefügerekonstruktion
  • Programm zur Simulation von Rissentstehung und -entwicklung
  • Prüf-, Mess- und Auswerteprogramme zur Durchführung von bruchmechanischen Versuchen an Standardproben, Komponenten und Sonder-Probengeometrien zur Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte und Charakteristika unter quasistatischer Beanspruchung im Temperaturbereich -196°C bis +350°C
  • Schädigungsmechanische Werkstoffmodelle zur Zähbruchbeschreibung (z. B. Rousselier Modell) und Sprödbruchbeschreibung (z. B. Beremin Ansatz)
  • Simulations- und Auswerteprogramme (ANSYS, PATRAN, R6, FEMAP, WinLife, PROBAD)
  • Thermodynamik-Programme THERMOCALC und DICTRA
  • Zugriff auf Höchstleistungsrechner an den Rechenzentren der Universitäten Stuttgart und Ulm sowie dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)
  • Thermografie / Wärmebildkamera (-25°bis 2000°C, Bildfrequenz: 50 Hz)
  • Schweißanlagen für folgende Verfahren:
    • Rührreibschweißen (Friction Stir Welding; Aluminium bis t=12mm )
    • Widerstandspressschweißen (Punkt- und Buckelschweißen)
    • Laserstrahlverfahren (pw-Nd:YAG-Laser)
    • Ultraschallschweißen (konventionelle Verfahren für das Metall- und Kunststoffschweißen, Torsionsverfahren)
  Rührreibschweißen (Friction Stir Welding)  von Aluminium   FE-Simulation des  Widerstandspunktschweißprozesses
FE-Simulation des  Widerstandspunktschweißprozesses
  Rührreibschweißen (Friction Stir Welding) 
von Aluminium
  FE-Simulation des 
Widerstandspunktschweißprozesses
Weitere Informationen

 Ansprechpartner

Sekretariate

Frau D. Dosch


Frau A. Ulm



 ++49 (0)711/685-63063
  ++49 (0)711/685-63054
 

Abteilungsleitung

Herr Dipl.-Ing. X. Schuler

 

++49 (0)711/685-62601
++49 (0)711/685-63053

Herr Dr.-Ing. L. Stumpfrock

++49 (0)711/685-63041
++49 (0)711/685-63053

Referate

Werkstoffsimulation



Herr Dr.-Ing. U. Weber

Frau Dr. rer. nat. E. Soppa

 

++49 (0)711/685-63055

++49 (0)711/685-63056

Schweiß- und Fügetechnik

Herr Dipl.-Ing. F. Schreyer

N.N.

++49 (0)711/685-63033

Numerische Bauteilanalyse

Herr Dr.-Ing. L. Stumpfrock

Herr Dipl.-Ing. F. Dwenger

++49 (0)711/685-63041

++49 (0)711/685-67676

Betriebsfestigkeits- und
Integritätsanalyse

Herr Dipl.-Ing. M. Kammerer

Herr Dipl.-Ing. C. Kohler

++49 (0)711/685-62540

++49 (0)711/685-63921

Lebensdauermanagement und
Zuverlässigkeitsanalyse

Herr Dr. rer. nat. G. Wackenhut

Herr Dr. rer. nat. R. Lammert

++49 (0)711/685-63044

++49 (0)711/685-60424

Hochgeschwindigkeitsbeanspruchung

Herr Dipl.-Phys. U. Mayer

Herr Dipl.-Ing. S. Offermanns

++49 (0)711/685-62607

++49 (0)711/685-62748