Skip to content

Werkstoffsimulation

Computational Mechanics & Bioengineering

The Computational Mechanics and Materials (CMM) Lab develops physics-based digital twins for the realistic representation of complex mechanical and multiphysical processes. By combining numerical modeling, multiphysics approaches, and experimental validation, the lab creates predictive and interpretable models for medical applications as well as safety-critical technical infrastructure.

Digital Health / Digitale Gesundheit – Mechanistic Digital Twins for Medicine

The CMM Lab develops physics-informed, mechanistic digital twins that link measurable physical phenomena—such as forces, deformation, wave propagation, and transport processes—with biological response. The lab’s work enables predictive and interpretable computational models for medical applications, complementing data-driven approaches with models grounded in first principles, verification, and experimental validation.

Key research directions include:

  • Cardiovascular mechanics and medical devices: computational and experimentally informed analysis of patient- and geometry-specific vascular implants, including stents, with explicit consideration of tissue–structure interaction, manufacturing-induced variability, and mechanical performance under physiological loading.
  • Mechanobiology and disease modeling: multiscale coupling of tissue mechanics with biological processes to support mechanistic understanding of disease progression and therapy response.
  • Virus and cell mechanics: physics-based inference of mechanical properties from nano-indentation experiments and multiscale simulations, demonstrating how mechanical characterization can inform biological function and response to external physical stimuli.

These activities position the CMM Lab at the interface of computational mechanics, bioengineering, and digital medicine, spanning women’s health, cardiovascular systems, and mechanobiological processes.

Digital Infrastructure / Digitale Infrastruktur – Digital Twins for Resilient Energy Systems

A second core research pillar of the CMM Lab is the development of validated multiphysics digital twins for safety-critical infrastructure, with a strong focus on energy networks and pipeline systems. The lab combines fracture mechanics, fluid–structure interaction, and experimentally validated numerical methods to support reliable integrity assessment and risk-informed decision making.

Core research topics include:

  • Pipeline integrity and fracture mechanics: modeling of crack initiation, propagation, and arrest in pressurized pipelines, including advanced fluid–structure interaction (FSI) approaches validated against experimental and full-scale test data.
  • Hydrogen and mixed-gas transport: integrity assessment of pipeline steels, welded joints, and components exposed to hydrogen-containing media, supporting safe and reliable infrastructure for the energy transition.
  • Digital twins for monitoring and predictive maintenance: development of digital-twin-based concepts for real-time condition monitoring, anomaly detection, and predictive maintenance of energy networks.

Through these activities, the CMM Lab contributes to the resilience, safety, and sustainability of critical infrastructure, bridging fundamental mechanics with industrial and regulatory requirements.

Leistungen

Scherprobe (li.) und Zugprobe (re.) - Simulation vs. Experiment
Scherprobe (li.) und Zugprobe (re.) – Simulation vs. Experiment

Prüfmöglichkeiten und Messverfahren

  • Validierung von Konstruktion und Berechnung durch experimentelle Prüfung unter Betriebsbedingungen
  • Mechanische Charakterisierung von Werkstoffen unter Einsatz von moderner Hochleistungsmesstechnik
  • Kopplung an FE-Strukturanalyse
  • Auswahl von Prüfgeometrien anhand der Bauteilbetriebsbedingungen

    • Spannungszustandseffekte
    • Anwendung gängiger Normung

    Anwendungsspezifische Prüfbedingungen

    • Mechanische Anisotropie
    • Thermische Prüfbedingungen
    • Dehnrateneffekte
    • Zyklische Belastungsarten
  • Auswahl von Prüfgeometrien anhand der Bauteilbetriebsbedingungen

    • Spannungszustandseffekte
    • Anwendung gängiger Normung

    Anwendungsspezifische Prüfbedingungen

    • Mechanische Anisotropie
    • Thermische Prüfbedingungen
    • Dehnrateneffekte
    • Zyklische Belastungsarten

Modellierungs- und Simulationsmöglichkeiten

  • Berücksichtigung von nichtlinearem Verformungsverhalten
  • Rissfortschrittssimulation durch Schädigungsmechanische Modelle
  • Finite-Elemente-basierte Multi-Physik-Simulation
  • Rechnerische Lebensdaueranalyse
  • Topologieoptimierung
  • Netzgenerierung zur Nutzung von CT-Daten in FE-Simulationen
  • Erarbeitung skalenübergreifender Modellansätze für Bauteilauslegung
  • Modellbildung

    • Diskretisierung der Bauteilgeometrie
    • Modellgenerierung auf Basis von CT Daten und Ableitung von FE-Netzen
    • Abbildung der Betriebs- und Belastungsbedingungen

    Auswahl linearer oder nicht-linearer Materialmodelle, Formulierung konstitutiver Gleichungen

    • Thermische Effekte
    • Dehnrateneffekte, Viskosität
    • Mechanische Anisotropie
    • Spannungszustandseffekten
    • Anwendung Schädigungsmechanischer Modelle für duktiles und sprödes Versage

    Fluid-Simulationen

    • Abbildung strömungsmechanischer Lasten in Druckbehälter und Pipeline-Anwendungen
    • Berechnung komplexer, thermodynamischer Vorgänge bei der Dekompression von Mehr-Phasen-Gasen

    Multi-physikalische Modelle

    • Transienter Lasttransfer von dynamischen Druckverteilungen
    • Bidirektionale Fluid-Struktur-Analyse

    Identifikation der Modellparameter

    • Numerische Optimierungsverfahren
    • Inverse Paramterbestimmnug

    Designoptimierung von Bauteilen

    • Parametrische Optimierung
    • Topologie-Optimierung
Simulation vs. Experiment eines Kerbschlagbiegeversuchs
Simulation vs. Experiment eines Kerbschlagbiegeversuchs
Fluid-Struktur-Interaktionen während dem Bersten einer Pipeline
Fluid-Struktur-Interaktionen während dem Bersten einer Pipeline
Stent-Expansion: Simulation (li.) und Experiment (CT-Scan, re.) im Vergleich
Stent-Expansion: Simulation (li.) und Experiment (CT-Scan, re.) im Vergleich
Simulation des Stent-Crimp-Prozesses und der anschließenden Ballon-Expansion
Simulation des Stent-Crimp-Prozesses und der anschließenden Ballon-Expansion
Simulation der Ballon-Expansion in einem Arterienmodell
Simulation der Ballon-Expansion in einem Arterienmodell
Simulation eines BDWT (Batelle Drop Weight Tear Test)
Simulation eines BDWT (Batelle Drop Weight Tear Test)

Rechnerischer Bauteilsicherheitsnachweis

Bruchmechanische Bewertung von Bauteilen und Schweißkonstruktionen

  • Kennwertermittlung: Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte durch standardisierte Laborversuche
  • Rechnerischer Ausschluss von Versagensfällen
  • Bewertung und Auswirkungen von vorhandenen Schwachstellen und Rissen

Lebensdaueranalysen unter zyklischen Betriebsbedingungen

  • Analyse des Ermüdungsverhaltens (Rissfortschrittsrate) im LCF und HCF Bereich
  • Numerische Abbildung des Ermüdungsverhaltens

Materialien und Fragestellungen

Materialien

  • Stahl- und Aluminiumlegierungen aus diversen Herstellungsprozessen (Grobbleche, Feinbleche, Additive Fertigung, Schäume)
  • Bodenmaterial
  • Einfache und reiche Erdgase, CO2-Gemische, H2-Gemische, Raumluft, Wasser

Typische Fragen

 

  • Wie kann eine werkstoffgerechte Bauteilauslegung erreicht werden?
  • Welche Materialkennwerte geben Aufschluss über die Bauteilsicherheit unter Betriebsbedingungen?
  • Wie hoch ist die Lasttragfähigkeit des Bauteils nach Anriss oder bei vorhandener Fehlstelle/Defekt?
  • Können die Materialeigenschaften durch Topologieoptimierung eines Bauteils besser ausgeschöpft werden?
  • Welche Laborversuche und Prüfbedingungen sind zur Parametrisierung der numerischen Modelle nötig?
  • In welchem Detaillierungsgrad sind multi-physikalische Belastungsfälle abzubilden?
  • Welche Materialeffekte müssen zur hinreichenden Abbildung des Belastungsfalls berücksichtigt werden?
  • Welches Materialmodell eignet sich zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens im Anwendungsfall?

Branchen & Partner

Medizintechnik

Verarbeitung, Design, Aortenstents, koronare Stents

Projekte: NewGen-Stent, Aortic Gen-i Stent

Baugewerbe

Massiv- und Stahlbau

Maschinenbau

Schweißkonstruktionen, Druckbehälterbau

Energietechnik

Pipelines, Druckkesselanwendungen, Dekompressionsverhalten

Projekte: Rissfortschritt in Pipelines

Automotive

Crash-Simulation, Tiefziehen

Ressourcen

Hochleistungsrechner mit aktueller Hardware-Ausstattung

Softwarepakte:

  • Simulationstools: ANSYS, ABAQUS, MSCOne und LS-Dyna
  • Thermodynamik: GERG-2008
  • Strukturoptimierung: TOSCA
  • CAD-Tools: Catia, Solid Edge, CREO
  • 3D-Bildverarbeitung und Modellgenerierung: Simpleware ScanIP

Peripherie zur Erweiterung der Softwarepakete durch spezielle Material-, Fluid- und Lastmodelle

In Kooperation mit anderen Prüfinstituten:

  • Elektro-mechanische Universalprüfmaschine Zwick Inspektdesk 250kN mit Klimakammer
  • Servo-hydraulische Prüfmaschine zur dynamischen Werkstoffprüfung
  • mikro-, makro-CT

Projekte

Publikationen

57 Einträge « 1 von 12 »

2025

Qiao, Y.; Grad, M.; Nonn, A.

Toward an Efficient and Robust Process–Structure Prediction Framework for Filigree L-PBF 316L Stainless Steel Structures Werkstoffsimulation Artikel

In: Metals, Bd. 15, Nr. 7, 2025, ISSN: 2075-4701.

Abstract | Links | BibTeX

2024

Nonn, A.; Marx, P.

Validated Multiphysics Modeling For Advanced Pipeline Integrity Management Werkstoffsimulation Konferenz

ADIPEC, November 4–7, 2024, Abu Dhabi, UAE, 2024.

Abstract | Links | BibTeX

Marx, P.; Nonn, A.

Advancing CO2 Pipeline Safety: Innovative Predictive Approaches and their Application in On- and Offshore Ductile Fracture Assessment Werkstoffsimulation Proceedings Article

In: Proceedings of Pipeline Technology Conference 2024, 2024, ISSN: 2510-6716.

Abstract | BibTeX

2023

Nonn, A.; Kiss, B.; Pezeshkian, W.; Tancogne-Dejean, T.; Cerrone, A.; Kellermayer, M.; Bai, Y.; Li, W.; Wierzbicki, T.

Inferring mechanical properties of the SARS-CoV-2 virus particle with nano-indentation tests and numerical simulations Werkstoffsimulation Artikel

In: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Bd. 148, 2023, ISSN: 1751-6161.

Abstract | Links | BibTeX

Wiesent, L.; Stocker, F.; Nonn, A.

Investigating the influence of geometric parameters on the deformation of laser powder bed fused stents using low-fidelity thermo-mechanical analysis Werkstoffsimulation Artikel

In: Materialia, Bd. 28, S. 101774, 2023, ISSN: 2589-1529.

Abstract | Links | BibTeX

57 Einträge « 1 von 12 »

Team