Geförderte Projekte

Für das Pro­jekt ALFDYN haben sich die TU Dort­mund, TH Köln, Uni­ver­si­tät Duis­burg-Essen, RWTH Aachen und die Hoch­schu­le Ruhr West zu­sam­men­ge­schlos­sen, um Stu­die­ren­de in ihrem Lernprozess im Fach Dynamik ge­ziel­ter zu un­ter­stüt­zen. Die Partner haben sich zum Ziel gesetzt, eine Lernumgebung zu gestalten, welche individuelle Lehr- und Lernprozesse ermöglicht. Dies impliziert, dass zunächst eine entsprechend breit gestreute Auswahl an unterschiedlichen Lernformaten generiert wird um überhaupt persönliche Bedürfnisse bedienen zu können.

Individualisierung bedeutet aber auch, dass eine Diagnose der Lernbarrieren und des Lernverhaltens notwendig ist, wofür Studierende natürlich bereit sein müssen. Aber hier ist das Projekt besonders spannend und wichtig, da wir gerade im Bereich der digitalen Lehre neue Instrumente brauchen um die Interaktion zwischen Bereitstellung und Verwendung von Lehrmaterial zu bekommen. Dazu schlagen wir vor, dass sich Studierende bezüglich Motivation und Wissensstand zunächst selbst einschätzen und die Lernplattform nachfolgend immer wieder Selbsttests anbietet und analysiert um den nächsten Lernschritt vorzuschlagen. Zudem wird die Plattform Feedback zu den Formaten einfordern um diese weiter entwickeln zu können. Das Diagnosetool wird keine Voraussetzung für die Nutzung des Contents sein – der Zugang ist unabhängig davon. Wer aber die Diagnose und Interkation nutzt wird gleichzeitig auch an der Verbesserung der Lehrprozesse mitarbeiten.

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META-LEGO wird das erforderliche Wissen für die Entwicklung von Metamaterialien/Strukturen klassischer Materialien liefern, die elastische Schwingen kontrollieren und Energie zurückgewinnen können. Zu diesem Zweck werden wir ein neues Konzept für die Modellierung von Metamaterialien mit endlicher Größe entwickeln, umsetzen und validieren, indem wir das relaxed-micromorphic Modell nutzen, zu dessen Entwicklung wir entscheidend beigetragen haben.
 
Die Grenzflächen von Metamaterialien haben einen großen Einfluss auf deren mechanischen Eigenschaften. Dennoch fehlt uns weiterhin ein umfassendes Modell zur Vorhersage der statischen/dynamischen Eigenschaften von Metamaterialien endlicher Größe: Die derzeitigen Homogenisierungsmethoden sind ungeeignet, um einen kohärenten Übergang von der Modellierung unendlich großer zu endlich großen Metamaterialien zu schaffen. Dies hindert uns daran, realistische Strukturen zu erforschen, die Metamaterialien und klassische Materialien in endlicher Größe kombinieren.
 
META-LEGO stellt die Hypothese auf, dass die mechanische Reaktion von Metamaterialien endlicher Größe über die klassische Homogenisierung hinaus erforscht werden kann. Stattdessen werden wir ein elastisches und trägheitsabhängiges mikromorphes Modell mit eingebauten internen Längen erstellen, um die wichtigsten Eigenschaften von Metamaterialien zu beschreiben, wie Anisotropie, Dispersion, band-gaps, Größeneffekte usw.
 
Die effiziente Struktur des Modells (frei von unnötigen Parametern), gekoppelt mit wohlgestellt Randbedingungen, wird uns ermöglichen, das statische/dynamische Verhalten von realen und noch nicht existierenden Metamaterial-Bausteinen beliebiger Größe und Form zu beschreiben. Wenn wir mit solchen LEGO-Steinen spielen, werden wir in der Lage sein, verblüffende Metastrukturen zu entwerfen und zu optimieren, wie z. B. lärm- und vibrationskontrollierte Bahnhöfe oder Metastädte, die vollständig vor seismischen Wellen geschützt sind.

Das Projekt entwickelt Tiny Houses, welche hauptsächlich Fichtenholz aus heimischen Wäldern als Baustoff verwenden. Die Modulbauweise ermöglicht eine Nutzung zu Wohn- und Gewerbezwecken und erlaubt nachträgliche Erweiterung. Innerhalb des Konsortiums übernimmt die Arbeitsgruppe der TU Dortmund technische und planerischen Aufgaben mit einem Akzent auf Nachhaltigkeitsgedanken. Dazu gehört u.a. die Einsparung von Ressourcen beim Bau sowie die Erhaltung von Stoffkreisläufen. Ökologische und zeitgemäße Bauweise sowie die Einhaltung höchster Standards im Wärmeschutz, der konstruktiven Durchbildung und der Tragsicherheit stehen hierbei im Fokus. Dies gewährleistet lange Lebenszyklen, ermöglicht die Umnutzung und schlussendlich den Rückbau sowie die Wiederverwendung der Rohstoffe. Das Projekt soll auch zusätzliche Innovationen für die angestrebte Bauweise erarbeiten. Dazu gehört u.a. die Abstimmung von Parametern mit einem Online-Konfigurator sowie eine gesamtheitliche Konstruktion der Raummodule. Sämtliche Arbeitsziele werden durch den Bau von Prototypen unterstützt und evaluiert. Das Gesamtkonzept dient dem vorrangigen Ziel, Wohnfläche durch effiziente Holzbauweise zu erstellen und damit Werte zu schaffen, um die Aufforstung der vom Borkenkäfer entwaldeten Flächen über den Verkauf des Produktes „Organic Tiny House“ zu ermöglichen.

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Ziel des Projektes ist eine digitale Lernumgebung für Studierende des Bauingenieurwesens im Grundlagenfach Baustatik. Um die Studierbarkeit zu verbessern, sollen digitale Formate den Studierenden eine rezipierende, reaktive Rolle bzw. eine selbständige, aktive Rolle je nach Bedürfnis anbieten. Die digitalen Formate Teaser, Screencast, videografiertes Experiment, Trainingstool, virtuelles Labor und Inverted Classroom können autark oder innerhalb der Präsenzveranstaltungen genutzt werden. Das Angebot soll sich sowohl institutionell als auch in das individuelle Lernverhalten integrieren, weshalb der intrinsische Wert durch ein für die Studierenden zählbarer Wert ergänzt wird. Dafür verpflichten sich die Antragsteller auf abgestimmte Lernziele und Inhalte sowie gemeinsame Prüfungsanforderungen und -formen im Sinne des Constructive Alignment. Das ganzheitliche Konzept der digitalen Lernumgebung soll das persönliche Lernumfeld bereichern und zudem individuelle Förderung generieren.

Projektdarstellung auf e-teaching.org

In der Materialforschung werden Multi-Material-Strukturen entwickelt, bei denen die erwünschte Tragwirkung durch die optimale Anordnung von Einschlüssen in einem Matrixmaterial erreicht werden soll. Die Beanspruchungen an den inneren Rändern zwischen der Matrix und den Einschlüssen müssen zur Vermeidung lokaler Schädigungen beschränkt werden.

Diese Klasse von Optimierungsaufgaben, beispielsweise die Erhöhung des Festigkeit/Dichte-Verhältnisses unter Kontrolle der lokalen Spannungs- und Verzerrungszustände an den inneren Rändern durch die Veränderung der Anzahl, der Lage und der Form der Einschlüsse, soll im Rahmen dieses Projektes unter Verwendung von gradientenbasierten mathematischen Optimierungsverfahren behandelt werden.

Die Modellierung der Geometrie mehrerer Einschlüsse erfolgt über Level-Set-Funktionen auf dem Grundgitter der Matrix. Die unstetigen Verzerrungen an den Grenzflächen sollen mittels Erweiterungen der FEM-Technik wie der Extended Finite Elemente Methode (X-FEM) berücksichtigt werden. Weitere Maßnahmen wie die geeignete Wahl der FE-Ansätze sowie der Einsatz der FE-Netzadaption garantieren die verläßliche Spannungsberechnung an den inneren Rändern zwischen der Matrix und den Einschlüssen.

Ziel des Projektes ist es, die Empfindlichkeit der Strukturantwort bzgl. der Variationen von Geometrie und Material der Einschlüsse quantitativ zu bestimmen und für die Bewertung zugänglich zu machen. Weiterhin soll ein robuster Optimierungsalgorithmus für die automatische Topologie- und Formoptimierung von Einschlüssen in Matrixmaterialien entstehen.

Die innere Struktur der Empfindlichkeit von Ingenieurtragwerken bezüglich geometrischer Veränderungen soll qualitativ und quantitativ mit Hilfe einer Singulärwertzerlegung (SVD) analysiert werden. Der Begriff innere Struktur der Empfindlichkeit wird als abkürzende Bezeichnung für die Eigenwerte (EW) und Singulärwerte (SW), die entsprechenden Eigenwert- und Singulärwertspektren sowie die zugehörigen Eigenvektoren (EV) und singulären Vektoren (SV) der Netzgeschwindigkeits-, Steifigkeits-, Pseudolastund Sensitivitätsmatrizen eingeführt. Zusammen bilden diese Größen den Kern der Sensitivitätsanalyse.

Mit dieser Vereinbarung lautet die Zielsetzung des Projektes. Der Einfluss der Modellbildung, insbesondere die Wahl der FE- und CAGD-Modelle, auf die Lösung der Optimierungsaufgabe soll beschrieben werden. Die Schwächen der Modellbildung sollen durch geeignete Gegenmaßnahmen, das sind die Wahl der FE-Formulierungen sowie optimierte Regularisierungen, verbessert werden. Die quantitativen Ergebnisse sollen für eine qualitative ingenieurmäßige Bewertung aufbereitet und visualisiert werden. Hierauf aufbauend soll eine Adaption der Optimierungsaufgabe durch den Nutzer ermöglicht werden sowie eine automatische geometrie-adaptive Strukturoptimierungsstrategie entwickelt und an Beispielen verifiziert werden.

Es sollen nur statische Probleme für hyperelastisches (auch nichtlineares) Materialverhalten betrachtet werden. Die Erweiterung auf dynamisches Strukturverhalten und inelastisches Materialverhalten ist einem Fortsetzungsantrag vorbehalten.