Liste aller abgeschlossenen Forschungsprojekte – Institut für Kontinuumsmechanik

Advanced multiscale computational mechanics for physiopathological behavior analysis of tissues and organs

The physiological functionalities of large biological structures are highly affected by the mechanics of living tissues which is, in turn, related to microstructural arrangement of histological constituents and biochemical environment at nanoscale. Present research activity aims to develop a novel tissue multiscale description, including also inelastic mechanisms, coupled with an advanced computational formulation under finite strain and large-displacement assumptions. As a result, an innovative in-silico tool for simulation of organs and large biological structures will be developed, allowing to predict pathology-related damage or pharmacological-related healing and providing novel diagnostic and clinical indications for highly patient-specific medical treatments.

Leitung: P. Wriggers, M. Marino

Jahr: 2015

Förderung: Alexander von Humboldt-Stiftung

Dynamic crack propagation using the XFEM

Imperfections in composite materials can occur at interfaces but also within the matrix material, particles or fibers. These imperfections often lead to cracks and thus are responsible for degradation and failure of these heterogeneous materials. In this project the attention turns to the dynamic crack propagation. Therefore a numerical approach by using the eXtended Finite Element Method (XFEM) to describe the problem within heterogeneous materials will be developed. The XFEM has proven to be adequate to handle cracks and heterogeneities in a precise geometrical and numerical framework.

Leitung: P. Wriggers, S. Löhnert

Team: D. Nolte

Jahr: 2012

SFB 599 TP D1 – Funktionalisierte Mittelohrprothesen

Im Teilprojekt D1 des SFB 599 haben es sich die beteiligten Institutionen (Institut für Anorganische Chemie, LUH; Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung; Hals-Nasen-Ohrenklinik, MHH; IKM) zum Ziel gesetzt, eine optimierte Mittelohrprothese zu entwickeln. Dies soll durch den Einsatz neu entwickelter Biomaterialien einerseits und durch die mittels Simulationsverfahren optimierte Gestaltung andererseits geschehen. Nachdem in der letzten Förderperiode der Schwerpunkt der Simulation auf der Untersuchung der gesunden Gehörknöchelchenkette lag, steht in der dritten Förderperiode besonders der Kontakt zwischen Implantat und Trommelfell im Mittelpunkt. Hierbei soll mit Hilfe von Polymerpolstern eine gewebefreundliche Oberfläche geschaffen werden, die eine gleichmäßige Belastung des Trommelfells ermöglicht.

Leitung: P. Wriggers

Team: S. Besdo, D. Doniga-Crivat

Jahr: 2012

Förderung: DFG im Rahmen des SFB 599

Weiterentwicklung von kardiovaskulären Implantaten und finite Element Modellierung der Degradation von Mg-Legierungen

Ein Ansatz der kardiovaskulären Forschung ist es geschädigtes Herzmuskelgewebe, z. B. in Folge eines Herzinfarkts, mit einem Gewebetransplantat zu ersetzen. Diese Gewebe besitzen anfänglich eine geringe Festigkeit. Daher werden Strukturen entwickelt, welche die Gewebetransplantate mechanisch unterstützen, um den Belastungen im Hochdrucksystem standzuhalten. Die bisher entwickelten Strukturen erreichen noch nicht die erforderliche Standzeit. Mit Hilfe der Finite Element Methode werden Simulationen erstellt, in denen Stützstrukturen entsprechend der Herzbewegung verformt werden. Hierdurch können hochbelastete Bereiche des Implantats identifiziert und konstruktiv verändert werden. Eine weitere Möglichkeit um Spannungen zu reduzieren besteht darin die Strukturen bereits bei der Fertigung gemäß der Herzgeometrie vorzuformen. Zusätzlich werden neue Strukturdesigns entwickelt und getestet. Die Stützstrukturen werden aus Magnesiumlegierungen gefertigt, welche vom Körper resorbiert werden können. Diese Degradation beeinflusst das mechanische Verhalten der Implantate unter Belastung. Es werden FE-Simulationen entwickelt bei denen die Magnesiumdegradation berücksichtigt wird.

Leitung: P. Wriggers, J. Lamon, S. Besdo

Team: M. Weidling

Jahr: 2012

Förderung: DFG im Rahmen des IRTG 1627

Untersuchung des Akkommodationsverhaltens der Augenlinse nach Einbringung Femtosekun-den-Laser-induzierter (fs-Laser) Schnittflächen

Dieses Projekt wird in Kooperation mit dem Laserzentrum Hannover e.V. durchgeführt. Mit zunehmendem Alter lässt die Fähigkeit der menschlichen Augenlinse nach, sich von der Fernsicht auf die Nahsicht einzustellen. Für die dadurch verursachte Altersweitsichtigkeit (Pres-byopie) gibt es noch keine befriedigende Behandlungsmethode. Es wurde allerdings gezeigt, dass es möglich ist, die Verformbarkeit der Linse durch das Einbringen von Mikroschnitten mit-tels fs-Laser zu beeinflussen (fs-Lentotomie). Ziel dieses Projektes ist es, eine Methode zu ent-wickeln, die es ermöglicht, das veränderte Akkommodationsverhalten von Augenlinsen nach fs-Lentotomie mittels eines Finite-Elemente (FE)-Modells vorherzusagen.

Leitung: S. Besdo

Jahr: 2012

Förderung: DFG im Normalverfahren

SFB 599 TP R6 – Degradable Osteosynthese-Systeme

Im Rahmen des SFB 599 werden Osteosynthese-Systeme zur Frakturstabilisierung aus Magnesiumlegierungen entwickelt. Der Vorteil von Magnesium ist, dass der Körper es für seinen Stoffwechsel benötigt und es mit der Zeit abgebaut wird. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften und der Degradation der Magnesiumlegierungen ist es notwendig das Implantat-Design anzupassen. Zunächst wird die Primärstabilität des Implantat-Knochen-Verbundes mit Hilfe von FE-Analysen untersucht, bevor die Implantate im Tierversuch getestet werden. In einem zweiten Schritt soll die Degradation der Implantate bei der Simulation berücksichtigt werden. Hierfür wurden bereits verschiedene Simulationsmethoden entwickelt, die an die Ergebnisse aus in vitro Versuchen angepasst werden. Des Weiteren wird die Knochenheilung bei der Simulation der Magnesiumdegradation berücksichtigt.

Leitung: P. Wriggers

Team: S. Besdo

Jahr: 2012

Förderung: DFG im Rahmen des SFB 599

Mutiscale FEM approach for rubber friction on rough surfaces

Understanding the frictional behaviour of elastomers on rough surfaces is of high practical importance in many industrial applications. For example the traction of a tire is directly linked to the material properties of the considered elastomer and the surface conditions of the road track. One goal of our studies is to gain a deeper understanding of the underlying contact physics at all length scales. Another aim is to determine a macroscopic coefficient of friction for varying material and surface properties and to validate the results with experimental data.

Leitung: P. Wriggers

Team: P. Wagner

Jahr: 2012

Mikromechanische Modellierung von inelastischen Korngrenzeneffekten in polykristallinen Materialien

In diesem Projekt soll das Verhalten polykristalliner Materialien mittels versetzungsbasierter Kristallplastizität untersucht und vorhergesagt werden. Ziel der Arbeit ist es, ein besseres Verständnis mikroskopisch nichtlokalen Verhaltens zu erlangen und geeignete Modelle für die Vorhersage der inelastischen Materialantwort zu entwickeln, die beispielsweise bei Strukturen in der Mikrosystemtechnik besonders relevant werden.

Leitung: B. Hirschberger

Team: H. Clasen

Jahr: 2010

Förderung: Leibniz Universität Hannover im Programm "Wege in die Forschung II"

Laufzeit: 1 Jahr

DEVELOPMENT OF A MATERIAL MODEL FOR METAL SHEETS AT FINITE DEFORMATION

Technical procedures claim an improved material model for the simulation of metal forming processes. An effective, anisotropic elastoplastic material model for the macroscopic material behaviour for sheet metals is developed for further usage in commercial finite element programs.

Leitung: P. Wriggers, S. Löhnert

Team: E. Lehmann, S. Zeller

Jahr: 2009

Contiuum Mechanical Modelling of Self-Cleaning Surface Mechanisms

Some biological surfaces, like several plant leaves, exhibit remarkable self cleaning mechanism. These are called hydrophobic surfaces, where the water does not coat the surface but rather forms small droplets which then roll-off easily on inclined surfaces and sweep foreign pollutants, like dirt or germ particles, away from the surface. A continuum mechanical model suitable for computational multiscale analysis is therefore required for describing the interaction between the water droplet, the pollutant particle and the substrate surface. This model provides better understanding of basic droplet-substrate interaction characteristics such as contact angle, roll off angle and droplet deformation due to the microstructure of the substrate. The surface self-cleaning capabilities can be therefore improved by optimizing the artificial surface microstructure.

Leitung: R. A. Sauer

Team: M.Osman

Jahr: 2009

Coupled Contact of Lubricated Contact

In many engineering applications fluid lubricants are used to separate two solid bodies that rub against one another to minimize friction. Such devices are referred to as hydrodynamic bearings. There exist a large variety of bearings for translational and rotational movement. For engineers designing such bearing, computational methods can deliver useful information on its performance characteristics prior to its manufacturing. Within this project a three-dimensional finite element model is developed, that describes lubricated contact between two bodies with rough surfaces.

Leitung: P. Wriggers

Team: M. Budt

Jahr: 2009

MULTIPHYSICS COMPUTATIONAL HOMOGENIZATION METHODOLOGIES

Computational homogenization techniques that are amenable to a multiscale implementation are being developed for multiphysics problems at the finite deformation regime. Applications include the estimation of the contact conductance for rough interfaces and the modeling of the coupled thermomechanical response of heterogeneous materials.

Leitung: P. Wriggers, I. Temizer

Jahr: 2009

Numerical modeling of electrical contacts

The focus of this work is the investigation of the behavior in electrical contacts, where electrical, thermal and mechanical fields are coupled. Specifically, theoretical constitutive models for the electrical conductance and electrical wear phenomena are developed and implemented in a three dimensional finite element setting. Also a new relation for wear is proposed, where the amount of wear is coupled to the dissipation arising at the contact interface. </a></p>

Leitung: P. Wriggers

Team: C. Weißenfels

Jahr: 2009

FAILURE ANALYSIS - ERROR ESTIMATION FOR MULTISCALE METHODS

This project is concerned with the development of tools for error-estimation based adaptive multiscale failure analysis. In order to enable a more accurate mechanical analysis of composite aircraft substructures, existing discretisation error estimators will be improved to be used as indicators for mesh refinement. Additionally, physical error estimators will be developed to identify regions where higher-order material modelling is required.

Leitung: P. Wriggers

Team: N. Hajibeik

Jahr: 2009

ADAPTIVE MULTISCALE MODELING AND ANALYSIS OF HETEROGENEOUS MATERIALS

Accurate computational analyses of a composite structure requires multiple levels of resolution: (i) a region where effective elastic properties are employed, (ii) a region where embedded micro-macro problems are solved, and (iii) a region where explicit microstructural evaluation is required. Development of such computational schemes for the adaptive multiscale analysis of heterogeneous materials is the main purpose of this project.

Leitung: P. Wriggers, I. Temizer

Jahr: 2009

Analysis of local friction between rubber and dry and wet surfaces

A prediction of the friction behavior of a rubber compound sliding over a road surface is an important topic in tire industry. Within this project the parameters which mainly influence the friction between a single tread block and a rough surface are investigated. The relevant physical mechanism of contact between a tread block and a rough surface, both wet or dry has to be understood. To validate the model a large number of test rigs is investigated at the Institute of Dynamics and Vibration Research (IDS).

Leitung: P. Wriggers, R. A. Sauer

Team: J. Dobberstein

Jahr: 2009

RAMWASS - Integrated Decision Support System for Risk Assessment and Management

The objective of the EU-project RAMWASS is to develop and validate a new decision support system (DSS) for the risk assessment and management for the prevention and/or reduction of the negative impacts caused by human activities on the water/sediment/soil system at river basin scale in fluvial ecosystems.

Leitung: P. Wriggers

Team: B. Avci

Jahr: 2009

Einfluss inelastischer Effekte auf die Reibung in zyklischen Prozessen

Bei der Modellierung der Polreibung von Reifen ist eine große Anzahl einzelner Effekte zu berücksichtigen, insbesondere, dass sich Gummi mit ursprünglich einheitlichem Ausgangszustand nach einiger Verformung von Ort zu Ort sehr unterschiedlich verhalten kann. Die Ursache ist, dass die so genannte Gummi-Elastizität sehr beträchtliche inelastische Anteile aufweist, die von den vorangegangenen Lastzyklen, insbesondere von früheren Verformungsmaxima signifikant abhängen (Mullins-Effekt). Somit ist bei einer genauen Modellierung des Rollkontaktes unbedingt die Heterogenität des Vor-Verformungszustandes und ihr Einfluss auf die inelastischen Effekte zu beachten.

Leitung: D. Besdo

Jahr: 2008

Frictional contact of elastomer materials on rough rigid surfaces

The purpose of this work is the derivation of a friction law for rubber materials on rough tracks by numerical investigations. Rubber friction includes a number of influences like hysteresis due to material damping, adhesional effects or thermomechanical coupling.

Leitung: P. Wriggers

Team: J. Reinelt

Jahr: 2008

Simulating the microstructure of cement-based construction materials

In this thesis three-dimensional computational homogenization of hardened cement paste (HCP) including micro-structural damage due to frost is introduced. Based on a computer-tomography at a resolution of 1µm a finite-element model of HCP is developed with different elastic and inelastic constitutive equations for the three parts unhydrated residual clinker, pores, and hydration products.

Leitung: P. Wriggers, S. Löhnert

Team: N. Dabagh

Jahr: 2008