Lehrangebot Numerische Mechanik Informationsveranstaltung WS 2014/2015

Transkript

1 Lehrangebot Numerische Mechanik Informationsveranstaltung WS 2014/2015 Prof. Dr.-Ing. Wolfgang A. Wall Lehrstuhl für Numerische Mechanik Dipl.-Ing. Christoph Meier 09. Oktober 2014

2 Agenda Lehrstuhlvorstellung (Personen, Forschung, Ausstattung) Computational Mechanics (Definition, Berufsbild) Lehrangebot am LNM (Fächerkatalog, Kombinierbarkeit)

3 Wer sind wir? Gegründet: 2003 Prof. Dr. Wolfgang A. Wall Ca. 40 Wissenschaftliche Mitarbeiter Fakultät Maschinenwesen / Munich School of Engineering Etabliert in der internationalen Forschungsgemeinschaft

4 Virtueller Rundgang Cluster: Linuxcluster 88 Dual AMD OctCore Knoten (=1408 Prozessoren) 8 Dual OctCore Intel Xeon Knoten (=128 Prozessoren) 3.1 TB RAM High performance interconnect (Infiniband) Studentenpool: 50 Einzelarbeitsplatzrechner Einsatz für studentische Arbeiten und Praktika im Hauptstudium

5 Was machen wir? Mechanik + Computer Science Angewandte Mathematik G.W. Leibniz Theoria cum praxi Anwendungsmotivierte Grundlagenforschung im Bereich Computational Mechanics

6 Positioning and Mission... in Theoria cum Praxi Lehrstuhl für Numerische Mechanik Application-motivated fundamental research Broad spectrum of activities from modeling to algorithms from element technology to solvers from CSD to CFD from multiphysics to multiscale from analysis to optimization from inverse to uncertainty from continuum to discont./particles... from fundamental to applied Research Code (baci) beyond commercial codes parallel, multipurpose, G.W. Leibniz Large variety of application areas from aero to bio/medical from automotive to civil from chemical to process & product

7 Research Areas Multifield (Coupled / Multiphysics) Problems Fluid-structure interaction Electrochemistry Thermo(-FS)-mechanics (FS-)Contact Multiphase flows & combustion Cavitation & particulate flow Poroelasticity incl. flow / transport Opto-acoustics... Multiscale Problems In fluids: turbulence, chemical processes, complex fluids,... In solids: tissue modeling, material processing,... Photo/Grafik

8 Research Areas Computational Biomechanics & Biophysics Respiratory modeling Cardiovascular modeling Cardiac modeling Surgical procedures & devices Cellular / subcellular mechanics Biomedical imaging... Fundamental Methods and Research Platform BACI All in One... Collaboration with Sandia Labs (Trilinos) BACI Bavarian Advanced Computational Initiative

9 Infos zu aktuellen Forschungsinhalten

10 Agenda Lehrstuhlvorstellung (Personen, Forschung, Ausstattung) Computational Mechanics (Definition, Berufsbild) Lehrangebot am LNM (Fächerkatalog, Kombinierbarkeit)

11 Was ist Computational Mechanics? Computational Mechanics (dt. Numerische Mechanik?!) ist eine Disziplin mit starker Bedeutung sowohl für Forschung als auch für industrielle Anwendung in allen Bereichen des Ingenieurwesens. Sie beschäftigt sich mit der Lösung mechanischer Probleme mit Hilfe von numerischen Näherungsmethoden, basierend auf der räumlichen und zeitlichen Diskretisierung der zugrundeliegenden Gleichungen. Im Maschinenbau sind die entsprechenden Fähigkeiten heute unentbehrlich, sei es bei der Konstruktion von Fahr- und Flugzeugen, oder bei der Entwicklung von biomechanischen und mikro-elektromechanischen Systemen. Nahezu alle technischen Anwendungsfelder ziehen Nutzen aus dieser rasch wachsenden Disziplin. Computational Mechanics verbindet anspruchsvolle Methoden der theoretischen und angewandten Mechanik mit Informatik und angewandter Mathematik. Gut ausgebildeten Ingenieuren öffnet diese Ausrichtung die Tür zu hervorragenden Jobaussichten in allen Sparten des Ingenieurwesens.

12 Berufsbild Automobil Luft- und Raumfahrt Consumer Electronics Biomechanik Grundlagenforschung ( ) ( ) ( ) ( ) Film- und Computerspiele-Industrie

13 Agenda Lehrstuhlvorstellung (Personen, Forschung, Ausstattung) Computational Mechanics (Definition, Berufsbild) Lehrangebot am LNM (Fächerkatalog, Kombinierbarkeit)

14 Lehrangebot Numerische Mechanik Interdisziplinäre Ausbildung von den methodischen Grundlagen Pflichtmodule: bis hin zur Anwendung Technische Mechanik 1, WS Technische Mechanik 2, SS Technische Mechanik 3, WS Wahlpflichtmodule: Numerische Methoden für Ingenieure, WS Finite Elemente, WS Nichtlineare Kontinuumsmechanik, WS Nichtlineare Finite-Element-Methoden, SS Finite Elemente in der Fluidmechanik, SS Biomechanik, SS Praktika * : Praktikum Num. Methoden für Ingenieure, WS Finite Elemente Praktikum, WS+SS Computational Bioengineering, SS Engineering Solutions for Biomedical Problems, SS Bachelor Master * Hier stellt die Zuordnung zu Bachelor and Master nur eine Empfehlung dar!

15 Numerische Methoden für Ingenieure Vermittlung der grundlegenden numerischen Methoden für die Anwendung im Ingenieurwesen. Die Vorlesung wird unter anderem folgende Themen behandeln: Interpolation und Kurvenanpassung Numerische Differentiation und Integration Numerische Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungen Einführung in die Methode der Finiten Elemente Lösung von linearen Gleichungssystemen: direkt und iterativ Numerische Optimierungsverfahren Approximation von Eigenwerten

16 Finite Elemente Funktionsweise und numerische Eigenschaften der linearen FEM, Anwendung auf unterschiedliche Strukturmodelle: Theoretische und numerische Ansätze zur Modellierung von Strukturen bzw. Festkörpern aus dem Ingenieurwesen Interaktion von Modellierung, Diskretisierung und Lösung von Festkörpersystemen 3D/2D Festkörper: Erhaltungsgleichungen, FE Diskretisierung, Variationsprinzipien, Lösungskomponenten und Anwendungen Locking Phänomene, robuste Elementformulierungen Fehler, Konvergenz und Adaptivität Einführung in die numerische Dynamik

17 Nichtlineare Kontinuumsmechanik Kontinuumsmechanik ist eine Theorie, um das globale Verhalten, beispielsweise Verformungen, Spannungen oder Temperaturen, von Festkörpern, Fluiden oder Gasen unter externen Einwirkungen zu beschreiben. Nichtlineare Kontinuumsmechanik ist in der Lage, eine Vielzahl von technischen Anwendungen zu modellieren. Themen: - Grundlagen der Tensorrechnung - Bewegung und Kinematik - Bilanzgleichungen - Konstitutive Beziehungen - Lineare Kontinuumsmechanik - Ein kurzer Blick auf Lösungsansätze

18 Nichtlineare Finite-Element-Methoden Die Welt, in der wir leben, ist nichtlinear. Dementsprechend kommt den nichtlinearen Finite-Element-Methoden (FEM) eine bedeutende Stellung in der Simulation moderner Anwendungen zu. Die Vorlesung konzentriert sich auf die Beschreibung von Festkörper-Strukturen, die großen Deformationen ausgesetzt sind. Themenspektrum: Einführung in die nichtlineare Kontinuumsmechanik Geometrische Nichtlinearitäten bei großen Deformationen Nichtlineare Lösungsstrategien Stabilität Nichtlineare Dynamik Kontaktmechanik

19 Finite Elemente in der Fluidmechanik Diese Vorlesung vermittelt die Grundlagen für die Entwicklung von Finite-Element-Methoden für die Simulation von stationären und zeitabhängigen Konvektions-Diffusions- Vorgängen und inkompressiblen Strömungen. Im Einzelnen werden folgende Themen behandelt: Einführung in die Fluidmechanik Einführung in die Finite-Element-Methode Stationäre Konvektions-Diffusions-Gleichungen Instationäre Konvektions-Diffusions-Gleichungen Inkompressible Navier-Stokes-Gleichungen

20 Biomechanik Unter Biomechanik versteht man die Anwendung mechanischer Prinzipien auf biologische Systeme mit dem Ziel, deren Funktionsweise zu verstehen, krankhafte Änderungen vorherzusagen und gegebenenfalls Therapieansätze vorzuschlagen. Damit ist die Biomechanik die Grundlage der modernen Medizintechnik bzw. des Bioengineerings. In diesem Kurs werden anhand einiger Beispiele (u.a. kardiovaskuläres System, Lunge, Knochen) die einzelnen Schritte der Modellbildung erarbeitet.

21 Computational Finite Solid and Elemente Fluid Dynamics (MSE) Modelling and simulation of solid mechanics using the Finite Element Method (FEM): Fundamentals of continuum mechanics: derivation of the equations of solid mechanics Modelling and simulation in solid mechanics Introduction to the Finite Element Method (FEM) FEM for 3D/2D solids (static regime): General theory, formulation and implementation Numerical aspects of FEM: Numerical integration, shape functions, convergence, locking FEM for 3D/2D solids (dynamic regime): Overview of time integration methods

22 Praktikum Numerische Methoden für Ingenieure Praktische Anwendung grundlegender numerischer Methoden mithilfe von MATLAB. Im Praktikum werden Methoden aus folgenden Bereichen umgesetzt: Interpolation und Kurvenanpassung Numerische Differentiation und Integration Numerische Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungen Einführung in die Methode der Finiten Elemente Lösung von linearen Gleichungssystemen: direkt und iterativ Numerische Optimierungsverfahren Approximation von Eigenwerten

23 Finite Elemente Praktikum Grundlegende Einsicht in die Anwendung der Finite-Element- Methode in der Strukturmechanik mit Hilfe der kommerziellen Software ANSYS Netzerstellung Konvergenzstudien Spannungsspitzen (Singularitäten) Locking Nichtlineare Materialgesetze Einfache Thermo-Struktur-Interaktion

24 Computational Bioengineering Praktikum Das Praktikum beschäftigt sich mit dem Prozess der Geometrierekonstruktion aus Bilddaten wie z.b. CT-Scans, der Vernetzung solcher Geometrien bis hin zur Simulation des mechanischen Verhaltens. Damit bietet das Praktikum Einblick in den spannenden Bereich des Preprocessings komplizierter Geometrien und die Möglichkeit, sich selbst an einem kleinen Bioprojekt zu versuchen. Geometrierekonstruktionen aus Bilddaten spielen nicht nur in der Biomechanik eine Rolle, sondern gewinnen in vielen Bereichen des Ingenieurwesens an Bedeutung.

25 Engineering Solutions for Biomedical Problems Viele biomedizinische Probleme erfordern heutzutage einen multidisziplinären Lösungsansatz. Auch die Ingenieurwissenschaften leisten hierbei in vielen Gebieten innovative Beiträge. In diesem Seminar werden neuartige Methoden diskutiert, die biologische bzw. medizinisch relevante Problemstellungen angehen.

26 5. Semester und jetzt??? Wahlpflichtfächer (25 Credits) 2 Ergänzungsfächer (6 Credits) 2 Hochschulpraktika (8 Credits) Bachelor s Thesis (11 Credits) Bachelor of Science (B.Sc.) Wahlpflichtfächer (60 Credits) 3 Ergänzungsfächer (9 Credits) 2 Hochschulpraktika (8 Credits) Semesterarbeit (11 Credits) Master s Thesis (30 Credits) Fächerauswahl gemäß Vorgaben des Studiengangs 10 Master of Science (M.Sc.)

27 Fächerwahl im Bachelor Maschinenwesen 5 Wahlpflichtfächer (25 Credits) Auswahl aus Wahlpflichtfächerliste Empfehlung: Numerische Methoden für Ingenieure 2 Ergänzungsfächer (6 Credits) Auswahl aus gesamter Ergänzungsfächerliste der Fakultät MW 2 Hochschulpraktika (8 Credits) Auswahl aus gesamter Praktikaliste der Fakultät MW Empfehlung: Praktikum Numerische Methoden für Ingenieure Bachelor s Thesis (11 Credits) Bei Interesse rechtzeitig am Lehrstuhl anfragen

28 Fächerwahl im Bachelor Ingenieurwissenschaften Wahlpflichtfächer aus dem Bereich Vertiefung (25 Credits) Auswahl aus Wahlpflichtfächerliste Vertiefung Empfehlung: Computational Solid and Fluid Dynamics Wahlpflichtfächer aus dem Bereich Fokussierung (28 Credits) Individuelles Curriculum abgestimmt auf angestrebten Masterstudiengang Vorgeschriebene Pflichtmodule für viele Masterstudiengänge Bsp.: Maschinenelemente I + II oder Maschinenelemente Grundlagen, Fertigung, Anwendung verpflichtend für alle MW-Masterstudiengänge Mustercurricula für verschiedene Studiengänge Bsp.: Masterstudiengang Maschinenwesen -> Empfehlung: Numerische Methoden für Ingenieure Studienleistungen (16 Credits) Forschungspraktikum im Modul Einführung ins wissenschaftl. Arbeiten Empfehlung: Wissenschaftl. Arbeiten in der Biomechanik und Num. Mechanik Bachelor s Thesis (12 Credits) Bei Interesse rechtzeitig am Lehrstuhl anfragen

29 Fächerwahl im Master 12 Wahlpflichtfächer (60 Credits) Auswahl aus den Bereichen Kernkompetenzen (KK), Schwerpunktmodule (SPM) und Studiengangübergreifende Module (SÜM) Empfehlung: Finite Elemente, Nichtlineare Kontinuumsmechanik, Nichtlineare Finite-Element-Methoden, Finite Elemente in der Fluidmechanik, Biomechanik 3 Ergänzungsfächer (9 Credits) Auswahl aus gesamter Ergänzungsfächerliste der Fakultät MW 2 Hochschulpraktika (8 Credits) Auswahl aus gesamter Praktikaliste der Fakultät MW Empfehlung: Praktikum Numerische Methoden für Ingenieure, Finite Elemente Praktikum, Engineering Solutions for Biomedical Problems, Computational Bioengineering Semesterarbeit (11 Credits) Master s Thesis (30 Credits) } am Lehrstuhl anfragen Bei Interesse rechtzeitig

30 Fächerwahl im Master Wahlpflichtfächer (60 Credits) Auswahl aus den Bereichen Kernkompetenzen (KK), Schwerpunktmodule (SPM) und Studiengangübergreifende Module (SÜM) Finite Elemente (FE), Nichtlineare Kontinuumsmechanik (NLKM), Nichtlineare Finite-Element-Methoden (NLFEM), Finite Elemente in der Fluidmechanik (FEFM), Biomechanik (BM)

31 Studiumsplanung (MW): Angebot des LNM B5 (WS) Numerische Methoden für Ingenieure Praktikum Num. Methoden für Ingenieure B6 (SS) Bachelorarbeit* M1 (WS) Finite Elemente Nichtlineare Kontinuumsmechanik M2 (SS) M3 (WS) Nichtlineare Finite-Element- Methoden Finite Elemente in der Fluidmechanik Computational Bioengineering Praktikum Biomechanik Engineering Sol. for Biomedical Problems Finite Elemente Praktikum Semesterarbeit* M4 (SS) Masterarbeit* * Bitte melden Sie sich bei Interesse direkt im Sekretariat (MW 1206) des Lehrstuhls!

32 Studiumsplanung (MSE): Angebot des LNM B5 (WS) B6 (SS) Numerische Methoden für Ingenieure Bachelorarbeit* Computational Solid and Fluid Dynamics Wissenschaftl. Arbeiten i. d. Biomechanik und Num. Mechanik* M1 (WS) Finite Elemente Nichtlineare Kontinuumsmechanik Praktikum Num. Methoden für Ingenieure M2 (SS) M3 (WS) Nichtlineare Finite-Element- Methoden Finite Elemente in der Fluidmechanik Computational Bioengineering Praktikum Biomechanik Engineering Sol. for Biomedical Problems Finite Elemente Praktikum Semesterarbeit* M4 (SS) Masterarbeit* * Bitte melden Sie sich bei Interesse direkt im Sekretariat (MW 1206) des Lehrstuhls!

33 Bachelor-, Semester- und Masterarbeiten bei uns am Lehrstuhl an führenden Universitäten weltweit bei forschungsstarken Industriepartnern J. Biehler FSI Simulation eines flexiblen Flügels Technische Universität München A. Popp Modellbildung von Crashbarrieren BMW Group München C. Cyron Maximum Entropy Approximation California Institute of Technology S. Rausch Simulation of Ocular Biomechanics University of Toronto

34 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!