Materialverhalten beschreiben – Virtuelle Experimente im Hörsaal und am Schreibtisch (
Das Berechnen von tragenden Bauteilen und Strukturen erfordern ein hohes Verständnis für das zunehmend komplexe, nichtlineare Verhalten technischer Baustoffe und Materialien. Das Verstehen, Beschreiben und Modellieren des Materialverhaltens ist deshalb Gegenstand verschiedener Lehrveranstaltungen sowohl im Bachelor als auch im Master. Dabei zeichnet sich immer wieder das Problem ab, dass die mathematischen Werkzeuge, die für das Aufstellen und Auswerten selbst relativ einfacher Materialmodelle notwendig sind, viele Studierenden zunächst überfordern. Der Fokus der Lehrveranstaltungen liegt daher in vielen Fällen allein auf der Lösung des zugrunde liegenden mathematischen Problems.
Häufig bleibt dabei das grundlegende Verständnis für das Verhalten des realen Materials sowie des beschreibenden Modells hinter dem Erlernen des reinen Rechenablaufs zurück. Im Rahmen dieses Projekts wurde deshalb ein numerisches Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe die Studierenden sowohl innerhalb der Lehrveranstaltungen als auch eigenständig am Schreibtisch virtuelle Experimente am Computer durchführen können. Dadurch können die folgenden Ziele erreicht werden: 1. Den Studierenden wird die Möglichkeit gegeben, verschiedene virtuelle Experimente durchzuführen. Dafür können sie aus einer vorgegebenen Bibliothek ein geeignetes Materialmodell auswählen und einen Belastungspfad vorgeben. Das Programm berechnet die Materialantwort und stellt diese grafisch dar. Ziel ist hier vorrangig die Entwicklung eines tiefgehenden Verständnisses für das Verhalten der einzelnen Modelle sowie das Erkennen ihrer Möglichkeiten und Grenzen. 2. Für die spätere Anwendung in der Praxis ist es darüber hinaus notwendig, anhand der experimentellen Daten eines real durchgeführten Versuchs ein geeignetes Modell auszuwählen und die zugehörigen Kennwerte realistisch zu identifizieren. Ein wichtiges Ziel dieses Projektes besteht darin, den Studierenden diese Fähigkeit zu vermitteln.
Zunächst wurden die Materialgleichungen für unterschiedliche Materialien (z.B. visko-elastische und elasto-plastische Materialien) in MatLab implementiert. Parallel dazu wurden Tools zur Visualisierung der zugehörigen rheologischen Modelle und der Verläufe entwickelt. Schließlich wurde eine Nutzeroberfläche (graphical user interface GUI) entwickelt, in die diese Materialgleichungen und die zugehörigen Visualisierungsmöglichkeiten eingebunden wurden.
Das Programm wurde bereits in der Veranstaltung "Einführung in die Werstoffmechanik" im WS 2015/16 testweise in der Vorlesung eingesetzt und den Studierenden zur Verfügung gestellt.
Nach der Evaluierungsphase im WS 2015/16 mussten noch kleinere Verbesserungen vorgenommen werden. Abgesehen davon war das Feedback seitens der Studierenden durchaus positiv. Insbesondere zur Generierung eines tieferen Verständnis scheint das Programm gut geeignet zu sein.
Rahmendaten
- Ingenieurswissenschaften