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
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
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
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
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
HyToPi
Publikationen
2006 |
Failure Behaviour of Hybrid-Laser Welds Werkstoffsimulation Proceedings Article In: Fracture of Nano and Engineering Materials and Structures Fracture of Nano and Engineering Materials and Structures, Proceedings of the 16th European Conference on Fracture, Alexandroupolis, Greece, 2006. |
Numerical modelling of damage beahviour in laser-hybrid welds Werkstoffsimulation Proceedings Article In: 9th European Mechanics of Material Conference (EUROMECH-MECAMAT 2006), Local Approach to Fracture, Moret-Sur-Loing, France, 2006. |
2005 |
Experimental and Numerical Investigations of the Failure Behaviour of Hybrid Laser Welds Werkstoffsimulation Proceedings Article In: 4th German-Japanese Seminar „Materials, Processses and Components“, University of Karlsruhe, Germany, 2005. |
Numerical simulation of crack extension in electron-beam and hybrid-laser welds Werkstoffsimulation Proceedings Article In: ESIS TC1/TC8 Meeting, Serco Assurance, Warrington, United Kingdom, 2005. |
Investigations of failure behaviour of flawed steel specimens with electron beam welds (EBW) Werkstoffsimulation Proceedings Article In: 11th International Congress on Fracture (ICF11), Turin, Italy, 2005. |
