Ziele

Was stellt man sich zunächst unter dem Begriff der „Mechanik“ vor? Sich bewegende Zahnräder, verbundene Kurbelantriebe bestehend aus Stangen und rotierenden Antrieben? Die Mechanik von heute hat mit diesen mehr konstruktionsorientierten Gedanken nur noch am Rande zu tun. Die Mechanik ist heutzutage viel facettenreicher, anspruchsvoller und interdisziplinärer. Neben den im Ingenieurbereich angesiedelten Teilgebieten der Bruchmechanik, Schwingungstechnik bzw. Maschinendynamik, Strukturmechanik, Umweltmechanik sowie Strömungsmechanik stellt die Festkörpermechanik, die hier äquivalent zur Kontinuumsmechanik angesehen werden soll, eine der großen Fachdisziplinen dar. Innerhalb des Gebietes der Festkörpermechanik unterscheiden wir in die experimentelle Mechanik, die Materialtheorie, d.h. der Modellierung von Materialeigenschaften mit mathematischen Modellen, und der Numerischen Mechanik. Die Materialtheorie ist dabei extrem weit aufgespannt. Die eher traditionelle Modellierung des dreidimensionalen mechanischen Deformationsverhaltens eines Festkörpers unter äußeren prozessabhängigen Belastungen, worunter man nicht nur Metalle, Kunststoffe und Elastomere, sondern auch Böden, Betone oder Holzarten versteht, werden heutzutage mit thermischen, elektrischen, magnetischen und chemischen Einflüssen gekoppelt sowie mit mikrophysikalischen Betrachtungen erweitert. Darüber hinaus ist die Biomechanik von tierischen und menschlichen Geweben eines der expandierenden Forschungsfelder. Die Festkörpermechanik-Professur in Clausthal beschäftigt sich mit der physikalischen Modellierung bei kleinen und beliebig großen Verzerrungen unterschiedlicher Werkstoffe, wie sie zum Beispiel in der Umformtechnik, der Reifen- und Gummiindustrie sowie in der Kunststofftechnik verwendet werden. Diese Modelle werden auf der Basis kombinierter Zug-, Druck- und Torsionsversuche unter thermischen Belastungen entwickelt, siehe Abb. 1.

Dabei treten unmittelbar zwei weitere Aspekte auf: Die entwickelten Modelle enthalten Materialparameter, die an die durchgeführten Experimente angepasst werden müssen, was mit der Thematik von Optimierungsverfahren gekoppelt ist. Die zweite Problemstellung ist verbunden mit der Einbindung der Materialmodelle in kommerzielle oder Inhouse-Code Finite-Elemente Programme, um damit Bauteile wirklichkeitsnah berechnen zu können.

Abb. 2. zeigt die fünf wesentlichen Säulen der Professur. Eingebunden sind diese in den aktuellen Forschungszweig bestehend aus Verifikation und Validierung. Unter Verifikation wird dabei die Entwicklung von numerischen und analytischen Verfahren zur Überprüfung der Implementierung in Finite-Elemente Programme sowie den damit erzeugten Lösungen verstanden und impliziert die Entwicklung hochgenauer und effizienter Berechnungsverfahren. In der Validierung werden die numerischen und physikalischen Modelle mit Bauteilversuchen verglichen, wobei hierbei die Qualität der Vorhersage vorab spezifiziert werden muss. Innerhalb dieser Konzeptbildung sind von der Arbeitsgruppe Arbeiten (hier Verweis auf Literatur) zur Materialparameteridentifikation, zur Entwicklung von Experimenten sowie von Materialmodellen und der Neuentwicklung adaptiver Zeitintegrationsverfahren innerhalb der Methode der finiten Elemente entwickelt worden.

Das eigene Festkörpermechanik-Labor, der PC-Pool aus Abb.3, sowie die Mitarbeiter unterstützen die Umsetzung dieser Zielsetzungen.