Leichtbau bezeichnet die Entwicklung von Strukturbauteilen, welche ihre vorgegebene Funktion unter gegebenen Randbedingungen mit minimalem Materialeinsatz/Gewicht erfüllen. Nicht nur birgt geringerer Materialeinsatz das Potential der Kostenreduktion sowohl in der Herstellung als auch während der Nutzung, sondern er führt auch unmittelbar zur Ressourcenschonung.
Im modernen Leichtbau sind die Bereiche Konstruktion und Auslegung, Analyse, Werkstoffdesign und Fertigungstechnik untrennbar miteinander verwoben. Den Forschungsbereich Leichtbau zeichnet aus, dass alle diese Bereiche adressiert und kombiniert werden. Ziel der Forschung ist die Entwicklung anwendungsspezifischer numerischer Methoden und deren Nutzung in der automatisierten Auslegung. Diese Ziele werden zum einen durch Grundlagenforschung im Rahmen nationaler und internationaler Forschungsförderungsprogramme erreicht, zum anderen bestehen aber auch Kooperationen mit Industriepartnern zu konkreten Fragestellungen.
Hierbei geht es nicht nur um die nichtlinearen Modellierung und Simulation der thermo–mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher Verbundwerkstoffe und Strukturen, die von Nanostrukturen bis zu vollständigen Komponenten reichen, sondern auch um die numerische Auslegung der zugehörigen umformenden und spanenden Fertigungsverfahren. Die rechnerischen Vorhersagen basieren auf analytischen sowie numerischen Methoden und beinhalten auch die Entwicklung und Implementierung von Algorithmen.
Im Bereich der Auslegung werden klassische Optimierungsalgorithmen mit Verfahren der numerischen Modellreduktion und des maschinellen Lernens kombiniert. Eine Kernkompetenz des Forschungsbereichs ist die Geometriedarstellung mit Splines, welche sich zum einen in der Formoptimierung, zum anderen aber mittels isogeometrischer Analyse auch in der Finite-Elemente-Simulation wiederfindet.
Der moderne Leichtbau verbindet die vier Teilbereiche Konstruktion und Auslegung, Analyse, Werkstoffdesign und Fertigungstechnik. Der Forschungsbereich Leichtbau am ILSB wird in zwei Forschungsgruppen aufgeteilt:
Numerische Analyse- und Designmethoden
Die Forschungsgruppe Numerische Analyse- und Designmethoden entwickelt Methoden zur numerischen Auslegung von Bauteilen und den zugehörigen Fertigungsprozessen. Der Fokus liegt dabei einerseits auf der Entwicklung effizienter Simulationsmethoden sowie Modellreduktionsverfahren und andererseits auf der Form- und Topologieoptimierung. In beiden Bereichen ist die Verwendung von Splines ein besonderes Merkmal, einerseits zur Geometriedarstellung, andererseits aber auch in der Simulation im Rahmen der isogeometrischen Analyse. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Scientific Machine Learning, wie z.B. der Einsatz von Reinforcement Learning als Formoptimierungsalgorithmus.
Struktur- und Werkstoffsimulation
Die Forschungsgruppe „Struktur- und Werkstoffsimulation“ beschäftigt sich mit nichtlinearer Modellierung und Simulation von thermo-mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe und Strukturen, die von Nanostrukturen bis zu großen Bauteilen reichen.
Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem nichtlinearen Verhalten von Strukturen und Werkstoffen gewidmet, auch unter Berücksichtigung von Composites, Metamaterialien und Werkstoffverbunden. Die rechnerischen Vorhersagen basieren auf analytischen sowie numerischen Methoden und beinhalten auch die Entwicklung und Implementierung von Algorithmen.
Ziel unserer Forschung ist die Weiterentwicklung von computergestützten Berechnungs-Werkzeugen sowie ihre Anwendung um Strukturen und Werkstoffe zu untersuchen. Dies wird sowohl im Rahmen von Grundlagenforschung als auch durch Kooperationen mit Industriepartnern durchgeführt, die durch nationale und internationale Forschungsprogramme gefördert werden.
