Theses

Die Eisschilde in Grönland und Antarktis sind über große Flächen an ihrer Unterseite nicht am Felsboden festgefroren, so dass Schmelzen über lange Zeiträume ein hydrologisches Systementwickelt. Neben subglazialen Seen und Kanälen, sind auch Wasserkavitäten, die durch das Gleiten von Eis über Undulationen am Felsboden gebildet werden, ein Teil des hydraulischen Systems. Die Entwicklung dieser wassergefüllten Hohlräume ist bisher nur mittelsvereinfachter empirischer Ansätze beschrieben worden. Die hohen Gleitgeschwindigkeitenund Änderung der Spannung auf kurzer Zeitskala motivieren die Hypothese, dass die Entwicklung maßgeblich durch die elastischen Eigenschaften von Eis bestimmt sind. Dies soll im Rahmen dieser Masterarbeit mittels Simulationen untersucht werden. Grundlage ist hierfür ein viskoelastisches Maxwell Modell (FEniCSx), das nichtlineare Dehnung, und auch Schmelzen an der Unterseite des Eises einbezieht (Christmann et al., 2019, 2021, Humbert et al, 2022, Sondershaus et al., 2023).

The simulation of microstructured materials with elasto-plastic deformation behavior is a challenging task. One reason for this is that classical approaches such as the FE2 method are computationally expensive and therefore suited only for very small boundary value problems. In contrast, new data-driven modeling techniques such as physics-augmented neural networks seem to constitute a promising and efficient alternative to obtaining the effective material behavior in a direct manner. However, it is not trivial how the path-dependency of elasto-plasticity in combination with other physical constraints such as the positive definiteness of the tangent operator might be incorporated into the model. Therefore, the overall objective of this thesis is to bridge the gap between path-dependent material behavior and neural networks. Your working model implementation will then be used in our in-house topology optimization framework to tackle further scientific challenges.

Liver resection is a common medical procedure used to remove tissue affected by tumors. The human liver, charactarized by its high vascularization, contains vessels of various sizes spanning multiple scales. Liver resection significantly impacts the vascular trees, which are responsible for blood distribution and collection, by removing a substantial number of vessels. This inevitably leads to a redistribution of blood flow. Under certain assumptions, the vascular trees can be simplified and modeled as a hierarchically structured Poiseuille network. Existing models allow the homogenization of these vessel structures to move from a discrete network model to a resolved continuum model. The homogenized model can then be coupled with a Poiseuille model for the larger vessels in the upper hierarchies, which are not suitable for homogenization. The objective of this thesis is to investigate the impact of liver resection on blood flow within the vessels, with a particular focus on the upper hierarchical levels. This will involve modeling and implementing the vascular tree as a Poiseuille network, followed by an analysis of necessary adaptations in the coupling to the homogenized structures.

Fiber reinforced composites (FRP) are often used in crash-relevant components due to their stiffness and strength properties. However, modelling their material behavior is a challenging task, as their mechanical properties are spatially very inhomogenous and depend on the stress state.

In most simulation software tools, the material behavior is implemented through so called “material cards”. The calibration of accurate material cards for FRP requires a large number of material tests.

As this announcement is in German, the short description is only available in this language.

Aktuatorisch eingesetzte Motor-Pumpen-Einheiten (MPE), wie sie bei unserem Industriepartner THOMAS in Herdorf entwickelt werden, sind ein Beispiel für smarte und innovative Produkte mit einem breiten Anwendungsspektrum. Mögliche Einsatzgebiete sind Automatikgetriebe oder Fahrwerksanwendungen im Automobilbereich, aber auch Luft- und Raumfahrtanwendungen und mobile Arbeitsmaschinen. MPE sind kompakte und in sich abgeschlossene mechatronische Systeme, bestehend aus einer hydraulischen Pumpe kombiniert mit einem Elektromotor samt Regelung und Leistungselektronik. Mittels Substitution traditioneller ventilgesteuerter hydraulischer Antriebe durch drehzahlvariable Pumpenaktuatoren kann eine große Bandbreite hydraulischer Anwendungen energieeffizienter ausgeführt werden.

Für die eingesetzten Gerotorpumpen ist die durch Verschleiß begrenzte Lebensdauer von großem Interesse, weshalb auch Rollkontaktversuche an geeigneten Probekörpern durchgeführt werden. Durch simulationsbasierte Auswertung können die Ergebnisse auf eingesetzte Pumpenkomponenten übertragen werden. Ziel dieser Arbeit ist die mechanische Analyse und Bewertung des Rollkontaktproblems mittels der Methode der Finiten Elemente.

Compressible two-fluid flow phenomena arise in many industrial applications and natural features. Examples are water–air flows, shock–bubble interaction, water hammer phenomena, surface wave impacts, and the transportation of liquefied natural gas. The study of two-fluid flows is a challenging research area in which modeling and numerical simulation play a key role. There exists a wide range of models that can be adopted for the description of compressible two-phase flows. Of particular interest is the class of phase-field models in which a scalar phase-field quantity is employed for the description of the interface. In this project we will utilize a Navier-Stokes Cahn-Hilliard (NSCH) phase-field model for the numerical simulation of compressible two-fluid flow.