Wissenschaftliches Profil

Im SFB 805 arbeiten rund 40 Wissenschaftler aus Teilgebieten des Maschinenbaus, der Mathematik und der Rechtswissenschaften zusammen um Unsicherheit in lasttragenden Systemen zu beherrschen. Gemeinsam werden zum einen neue Verfahren und Methoden zur Herstellung, zum anderen erweiterte mechatronische und adaptronische Technologien zur Nutzung entwickelt, um lasttragende Systeme im Einsatz zu stabilisieren und Beanspruchungen zu dämpfen.

Motivation

Beispiele für lasttragende Systeme. Quellen: Volkswagen, Daimler, Airbus.

Unsicherheit hat gewaltige gesellschaftliche und wirtschaftliche Auswirkungen – dies zeigt sich u.a. in der erschreckend hohen Zahl an Rückrufaktionen. In der Automobilindustrie sind es zeitweise über eine Million Fahrzeuge pro Jahr, die von Herstellern zurückgerufen werden. Gelingt es, Unsicherheit zu beherrschen, können Ausfälle begrenzt, und dabei dennoch die gegenwärtige Überdimensionierung vermieden und Ressourcen geschont werden.

Forschungsprogramm

Im Mittelpunkt unserer Forschung steht die ganzheitliche Beherrschung von Unsicherheit entlang aller Produktlebensphasen – von der Produktentwicklung über die Produktion bis hin zur Nutzung. Insgesamt 19 Teilprojekte aus drei Projektbereichen arbeiten dazu zusammen:

  • Im Projektbereich Produktentwicklung werden spezielle Konstruktionsprinzipien und mathematische Optimierungsmethoden entwickelt, um Unsicherheit bereits bei der Auslegung technischer Systeme zu beherrschen.
  • Im Projektbereich Produktion werden Prozessketten mit Hilfe mathematischer Methoden optimiert, umformende und zerspanende Fertigungsverfahren bei stets gleicher Fertigungsqualität flexibel gestaltet, und Funktionsmaterialien für aktive Bauteile synchron mit der Formgebung integriert.
  • Im Projektbereich Nutzung werden Methoden sowie passive, semi-aktive und aktive Technologien als Lösungsansätze für die Beherrschung von Unsicherheit in der Nutzungsphase lasttragender Strukturen entwickelt und erprobt.
Die Projektbereiche Produktentwicklung, Produktion und Nutzung erlauben eine ganzheitliche Erforschung von Unsicherheit.

Forschungsfragen der dritten Förderphase

Die wissenschaftliche Zielsetzung für die dritte Förderphase leitet sich aus dem übergeordneten Ziel „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ sowie aus den Ergebnissen der ersten und zweiten Förderphase ab. Nachdem in den bisherigen Förderphasen vornehmlich Datenunsicherheit mit den Kategorieren stochastische Unsicherheit und Ungewissheit erforscht wurde, liegt der Fokus der dritten Förderphase auf der Beherrschung von Unwissen.

Dies verdeutlicht die im SFB 805 entstandene nebenstehende schematische Abbildung: In den bisherigen Förderphasen war die Unsicherheitsbewertung und -fortpflanzung innerhalb eines als bekannt angenommenen Modellhorizonts Thema. Ein Modell bildet jedoch nur einen Teil der relevanten Wirklichkeit ab. Der Rest liegt im Bereich des Unwissens – hier ist der Modellzusammenhang unbekannt, es herrscht Modellunsicherheit. Unwissen manifistiert sich zudem in dateninduzierten Konflikten, die enstehen, wenn die Interpretation und Nutzung von unsicherheitsbehafteten Daten aus mehr als einer Quelle zu widersprüchlichen Aussagen führt. Zielsetzung der dritten Förderphase ist es, Unwissen methodisch und technologisch für lasttragende Systeme im Maschinenbau in Produktentwicklung, Produktion und Nutzung im Rahmen einer neuen Schwerpunktsetzung zu beherrschen.

Die Forschungsfragen der 3. Förderphase sind:

  • Wie können dateninduzierte Konflikte gelöst werden?
  • Wie kann Modellunsicherheit bei Unwissen erkannt und beherrscht werden?
  • Wie kann Resilienz lasttragender Systeme erreicht werden, um Unsicherheit zu beherrschen?
Zur relevanten Realität, Unwissen, Modell, Modellhorizont und Daten.

Der SFB-Demonstrator

Der SFB-Demonstrator ermöglicht es als teilprojektübergreifende Plattform, die entwickelten Methoden und Technologien zur Beherrschung von Unsicherheit an realen lasttragenden Systemen zu erproben.

Modulares aktives Federdämpfersystem (MAFDS)

Der SFB-Demonstrator umfasst einen virtuellen und einen realen Teil. Zum realen Teil gehört das Modulare Aktive Federdämpfersystem (MAFDS). Dieses besteht aus einem wahlweise passiven, semi-aktiven oder aktiven Federdämpfersystem als Pendelstütze, das zwischen einem oberen und einem unteren Tragwerk gelenkig gelagert ist. Gelenkmodule sorgen für die kinematische Verbindung zwischen oberem und unterem Tragwerk und für die Aufnahme von Querlasten und Momenten.

Zum virtuellen Teil zählen beispielsweise Untersuchungen von Topologie-Variationen zur Lastverteilung in Tragwerken, die aufgrund der hohen Anzahl möglicher Variationen experimentell nicht umsetzbar sind. Die rechte Abbildung zeigt ein Beispielergebnis: Das Stabwerk des Demonstrators konnte mittels robuster Optimierung für statisch bzw. dynamisch unsichere Last optimal ausgelegt werden. Dazu wurde ein gemischt-ganzzahliges semidefinites Optimierungsproblem modelliert und gelöst.

Erreichbare Materialeinsparung durch ein aktives Stabwerk im Vergleich zu einem passiven Stabwerk.