Die Strukturmechanik befasst sich damit, wie sich Festkörper unter Belastungen verhalten; in der Dynamik geht es um zeitabhängige Vorgänge, insbesondere Schwingungen/Vibrationen. Unser Schwerpunkt liegt auf Kontaktvorgängen (Reibung; Stöße) und deren Auswirkung auf die Dynamik von Strukturen. Die trockene Reibung verursacht den Großteil der Dämpfung von Luft- und Raumfahrtstrukturen; ohne diese würden die Schaufeln von Triebwerken während des Betriebs aufgrund der großen Vibrationen zerbrechen. Stöße sind ideal für skalenübergreifenden Energietransfer und ermöglichen damit neue Technologien zur breitbandigen Beruhigung von Schwingungen oder zum Energy Harvesting.
Um die Sicherheit zukünftiger Technologien zu gewährleisten, sind Simulationen erforderlich, deren Vorhersagekraft mit Messdaten abgesichert werden muss. Zentrale Herausforderungen sind dabei der stark nicht-lineare und nicht-stetige Charakter der Kontaktvorgänge (Haften-Gleiten; Öffnen-Schließen), sowie die große Spannweite an bedeutsamen Längenskalen. Wir forschen grundlegend an der Entwicklung neuer Theorien und Methoden, überprüfen diese in unseren Laboren und bringen diese gemeinsam mit unseren Partnern aus der Industrie (u.a. MTU Aero Engines) zur technologischen Reife. So leisten wir wesentliche Beiträge zur Entwicklung nachhaltiger Technologien der Zukunft.
Mehr zum technischen Hintergrund.
Ehrfahren Sie mehr über unsere Forschung weiter unten. Hier ein Überblick:
Methoden
- Kontaktmechanik: Wir entwickeln Messtechnik für die mechanische Analyse von Kontakten mit Nanometer-Auflösung und wir entwickeln Mehrskalenansätze um Reibdämpfung vorhersagbar zu machen.
- Numerische Schwingungsanalyse: Die von uns entwickelten Methoden zur numerischen Simulation gehen robust und effizient mit der Unstetigkeit (Haften-Gleiten; Öffnen-Schließen) der Kontakte um und reduzieren den Rechenaufwand im Vergleich zu gebräuchlichen Finite-Elemente-Tools um mehrere Größenordnungen. Neben einfachen periodischen Schwingungen gewinnen dabei nicht-periodische und transiente Vorgänge zunehmend an Bedeutung.
- Experimentelle Schwingungsanalyse: Wir entwickeln Methoden zur präzisen experimentellen Bestimmung von Dämpfung, Eigenfrequenzen und Schwingungsformen in Abhängigkeit des Schwingungsniveaus. Modernste Schwingungsmesstechnik und von uns entwickelte, auf Regelungstechnik basierende Methoden ermöglichen die Untersuchung komplizierter Vorgänge, die mit linearer Theorie nicht erklärbar sind.
Anwendungen
Unsere primäre Anwendung sind Schaufeln in Turbomaschinen. Uns interessiert jedoch jede Anwendung, bei der Kontaktvorgänge und Strukturdynamik eine wesentliche Rolle spielen.So forschen wir auch am Flattern von Tragflächen, der Dynamik von Windenergieanlagen, sowie mittels Nieten oder Schrauben eingespannte dünnwandige Strukturen wie die Verkleidung von Flugzeugen.
- Reibdämpfung
- Minderung von Vibrationen durch Stöße
Unser Netzwerk
Unser Netzwerk umspannt renommierte nationale und internationale akademische Partner. Wir sind außerdem am Kompetenzzentrum der Universität Stuttgart mit MTU Aero Engines beteiligt. Zusammen mit unseren Partnern fördern wir aktiv die wissenschaftliche Weiterentwicklung und Mobilität von herausragenden und engagierten Studierenden. Beispiele aus der Vergangenheit sind Abschlussarbeiten bei unseren Partnerinstitutionen im In- und Ausland, Teilnahme an Kursen des International Centre for Mechanical Sciences (CISM) und Teilnahme am Tribomechadynamics Research Camp.
Mehr zum technischen Hintergrund unserer Forschung
Aktuell große gesellschaftliche Herausforderungen sind die Reduktion von Treibhausgasen und ein schonender Ressourceneinsatz - mit dem Ziel unsere Gesellschaft nachhaltig in die Zukunft zu führen. Ein Schlüssel dazu liegt im extremen Leichtbau. Dieser macht Strukturen jedoch unweigerlich anfällig für Schwingungen. Wichtige Beispiele sind in der Luft- und Raumfahrt, aber auch bei elektrischen Fahrzeugen und bestimmten Bauwerken zu finden. Eckpfeiler unserer Energieversorgung und Mobilität sind rotierende Maschinen wie Generatoren, Motoren und Windenergieanlagen. Diese werden durch eine Vielzahl an Mechanismen zu Schwingungen angeregt. Besonders kritisch sind die Fälle der Resonanz, d.h. wenn die Anregung (z.B. durch die Drehung der Laufschaufeln durch die Nachläufe der stromaufwärts liegenden Leitschaufeln) gerade mit einer Eigenfrequenz erfolgt, sowie der selbst-induzierten Schwingungen.
Die Schwingungen führen zu Materialermüdung, Verschleiß und Lärm, bedrohen die Funktion und strukturelle Integrität von Maschinen und gefährden sogar Menschenleben. Um die Sicherheit innovativer Technologien der Zukunft zu gewährleisten, sind Simulationen erforderlich, deren Vorhersagekraft und Genauigkeit mit Messdaten abgesichert werden muss. Von zentraler Bedeutung ist dabei der nichtlineare Charakter der Schwingungen, der Messung und Simulation erheblich erschwert. Nichtlineare Beziehungen zwischen Kraft- und Bewegungsgrößen haben eine Reihe von Ursachen wie nichtlineare kinematische Beziehungen (z.B. große Verformungen), nichtlineares Materialverhalten (z.B. Hyperelastizität, Plastizität), multi-physikalische Wechselwirkung (z.B. Strömung-Struktur-Interaktion) oder nichtlineare Randbedingungen (z.B. Reibung, Spiel). Dies erfordert die Entwicklung völlig neuer Methoden der numerischen Simulation und der experimentellen Dynamik.
Haben Sie Interesse Mitglied unseres Teams zu werden?
Je nachdem, an welchem Punkt Sie sich gerade in Ihrer wissenschaftlichen Ausbildung befinden, können Sie sich als wissenschaftliche(r) Mitarbeiter(in), studentische Hilfskraft oder für eine Abschlussarbeit bei uns bewerben. Einfach per Email bei Malte Krack melden.
- Krack, M.; Gross, J.: Harmonic Balance for Nonlinear Vibration Problems , 159pp, (2019), Springer, ISBN: 978-3-030-14022-9.
- Krack, M. (2025). Systems with Contact Nonlinearities. In: Touzé, C., Frangi, A. (eds) Model Order Reduction for Design, Analysis and Control of Nonlinear Vibratory Systems. CISM International Centre for Mechanical Sciences, vol 614. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-67499-0_5
- Krack, M. (2024). Systems with Contact Nonlinearities . In: Gendelman, O.V., Vakakis, A.F. (eds) Exploiting the Use of Strong Nonlinearity in Dynamics and Acoustics. CISM International Centre for Mechanical Sciences, vol 613. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-56902-9_7
- Krack, M.; Panning-von Scheidt, L.: Nonlinear Modal Analysis and Modal Reduction of Jointed Structures . The Mechanics of Jointed Structures (2017), Springer, Matthew R.W. Brake (Ed.), ISBN: 978-3-319-56818-8
Kontakt
Malte Krack
Prof. Dr.-Ing.Leiter Bereich Strukturmechanik/-dynamik