Dokument-ID Dokumenttyp Verfasser/Autoren Herausgeber Haupttitel Abstract Auflage Verlagsort Verlag Erscheinungsjahr Seitenzahl Schriftenreihe Titel Schriftenreihe Bandzahl ISBN Quelle der Hochschulschrift Konferenzname Bemerkung Quelle:Titel Quelle:Jahrgang Quelle:Heftnummer Quelle:Erste Seite Quelle:Letzte Seite URN DOI Zugriffsart Link Abteilungen OPUS4-264 Konferenzveröffentlichung Ballmann, J., ; Raatschen, Hans-Jürgen, raatschen@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de High stress intensities in focussing zones of waves The propagation of mechanical waves in plates of isotropic elastic material is investigated. After a short introduction to the understanding of focussing of stress waves in a plate with a curved boundary the method of characteristics is applied to a plate of hyperelastic material. Using this method the propagation of acceleration waves is discussed. Based on this a numerical difference scheme is developed for solving initial-boundary-value problems and applied to two examples: propagation of a point disturbance in a homogeneously finitely strained non-linear elastic plate and geometrical focussing in al linear elastic plate. 1985 10.1016/B978-0-444-42520-1.50015-3 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-297 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Ballmann, J., Computation of impacts on elastic solids by methods of bicharacteristics Shock waves, explosions, impacts or cavitation bubble collapses may generate stress waves in solids causing cracks or unexpected dammage due to focussing, physical nonlinearity or interaction with existing cracks. There is a growing interest in wave propagation, which poses many novel problems to experimentalists and theorists. 1988 3 Computational Mechanics '88 : theory and applications ; proceedings of the International Conference on Computational Engineering Science April 10-14, 1988, Atlanta, GA, USA ; vol. 2 1719 1722 bezahl http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-61381-4_452 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-174 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Ballmann, J., Fundamental aspects of numerical methods for the propagation of multi-dimensional nonlinear waves in solids The nonlinear scalar constitutive equations of gases lead to a change in sound speed from point to point as would be found in linear inhomogeneous (and time dependent) media. The nonlinear tensor constitutive equations of solids introduce the additional local effect of solution dependent anisotropy. The speed of a wave passing through a point changes with propagation direction and its rays are inclined to the front. It is an open question whether the widely used operator splitting techniques achieve a dimensional splitting with physically reasonable results for these multi-dimensional problems. May be this is the main reason why the theoretical and numerical investigations of multi-dimensional wave propagation in nonlinear solids are so far behind gas dynamics. We hope to promote the subject a little by a discussion of some fundamental aspects of the solution of the equations of nonlinear elastodynamics. We use methods of characteristics because they only integrate mathematically exact equations which have a direct physical interpretation. 1989 14 Nonlinear hyperbolic equations : theory, computations methods, and applications ; proceedings of the 2nd International Conference on Nonlinear Hyperbolic Problems, Aachen 574 588 bezahl http://dx.doi.org/10.1007/978-3-322-87869-4_56 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-202 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, Michael, Direkte FEM-Berechnung der Tragfähigkeit hochbeanspruchter passiver Komponenten Genaue Kenntnis der Spannungen und Verformungen in passiven Komponenten gewinnt man mit detailierten inelastischen FEM Analysen. Die lokale Beanspruchung läßt sich aber nicht direkt mit einer Beanspruchbarkeit im strukturmechanischen Sinne vergleichen. Konzentriert man sich auf die Frage nach der Tragfähigkeit, dann vereinfacht sich die Analyse. Im Rahmen der Plastizitätstheorie berechnen Traglast- und Einspielanalyse die tragbaren Lasten direkt und exakt. In diesem Beitrag wird eine Implementierung der Traglast- und Einspielsätze in ein allgemeines FEM Programm vorgestellt, mit der die Tragfähigkeit passiver Komponenten direkt berechnet wird. Die benutzten Konzepte werden in Bezug auf die übliche Strukturanalyse erläutert. Beispiele mit lokal hoher Beanspruchung verdeutlichen die Anwendung der FEM basierten Traglast- und Einspielanalysen. Die berechneten Interaktionsdiagramme geben einen guten Überblick über die möglichen Betriebsbereiche passiver Komponenten. Die Traglastanalyse bietet auch einen strukturmechanischen Zugang zur Kollapslast rißbehafteter Komponenten aus hochzähem Material. 1997 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-203 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, Michael, Limit and shakedown analysis for plastic design Limit and shakedown theorems are exact theories of classical plasticity for the direct computation of safety factors or of the load carrying capacity under constant and varying loads. Simple versions of limit and shakedown analysis are the basis of all design codes for pressure vessels and pipings. Using Finite Element Methods more realistic modeling can be used for a more rational design. The methods can be extended to yield optimum plastic design. In this paper we present a first implementation in FE of limit and shakedown analyses for perfectly plastic material. Limit and shakedown analyses are done of a pipe-junction and a interaction diagram is calculated. The results are in good correspondence with the analytic solution we give in the appendix. 1997 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-1557 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, M., Limit and Shakedown Analysis Using a General Purpose Finite Element Code Glasgow NAFEMS 1997 11 Proceedings of NAFEMS World Congress '97 on Design, Simulation & Optimisation : reliability & applicability of computational methods ; Stuttgart, Germany, 9 - 11 April 1997 1-87437-620-4 522 533 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-201 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, M., ; Hicken, E. F., LISA, ein europäisches Projekt zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. Die Autoren möchten der Europäischen Kommission an dieser Stelle für die Förderung ausdrücklich danken. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist änhlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA geplante Zuverlässigkeitsanalyse ist erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. 1998 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-1553 Konferenzveröffentlichung Burgazzi, L., ; Fiorini, F., ; De Magistris, W. (u.a.), ; Lensa, W. von, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Altes, J., Reliability Assessment of Passive Safety Systems New York American Society of Mechanical Engineers 1998 Proceedings of the 6th International Conference on Nuclear Engineering : ICONE : May 10 - 14, 1998, San Diego, Calif. CD-ROM Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-204 Konferenzveröffentlichung Lang, H., ; Wirtz, K., ; Heitzer, Michael, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Oettel, R., Zyklische Einspielversuche zur Verifikation von Shakedown-Analysen mittels FEM Im Rahmen von Ermüdungsanalysen ist nachzuweisen, daß die thermisch bedingten fortschreitenden Deformationen begrenzt bleiben. Hierzu ist die Abgrenzung des Shakedown-Bereiches (Einspielen) vom Ratchetting-Bereich (fortschreitende Deformation) von Interesse. Im Rahmen eines EU-geförderten Forschungsvorhabens wurden Experimente mit einem 4-Stab-Modell durchgeführt. Das Experiment bestand aus einem wassergekühlten inneren Rohr und drei isolierten und beheizbaren äußeren Probestäben. Das System wurde durch alternierende Axialkräfte, denen alternierende Temperaturen an den äußeren Stäben überlagert wurden, belastet. Die Versuchsparameter wurden teilweise nach vorausgegangenen Einspielanalysen gewählt. Während der Versuchsdurchführung wurden Temperaturen und Dehnungen zeitabhängig gemessen. Begleitend und nachfolgend zur Versuchsdurchführung wurden die Belastungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen nachvollzogen. Bei dieser inkrementellen elasto-plastischen Analyse mit dem Programm ANSYS wurden unterschiedliche Werkstoffmodelle angesetzt. Die Ergebnisse dieser Simulationsberechnung dienen dazu, die Shakedown-Analysen mittels FE-Methode zu verifizieren. 1999 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-205 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, Michael, ; Hicken, E. F., LISA - ein europäisches Projekt zur FEM-basierten Traglast- und Einspielanalyse Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist ähnlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA entwickelten Zuverlässigkeitsanalysen sind nichlinear erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. Auf die vorgesehenen Erweiterungen der Werkstoffmodellierung für nichtlineare Verfestigung und für Schädigung konnte hier nicht eingegangen werden. Es herrscht ein deutlicher Mangel an Experimenten zum Nachweis der Grenzen zwischen elastischem Einspielen und dem Versagen durch LCF oder durch Ratchetting. 1999 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-200 Konferenzveröffentlichung Heitzer, M., ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Direct FEM approach to design-by-analysis of pressurized components Abstracts of the ACHEMA 2000 - International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, May 22 - 27, 2000. Frankfurt am Main. Achema 2000 : special edition / Linde. [Ed.: Linde AG. Red.: Volker R. Leski]. - Wiesbaden : Linde AG, 2000. - 56 p. : Ill., . - pp: 79 - 81 2000 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-63 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, Michael, Direct static FEM approach to limit and shakedown analysis Safety and reliability of structures may be assessed indirectly by stress distributions. Limit and shakedown theorems are simplified but exact methods of plasticity that provide safety factors directly in the loading space. These theorems may be used for a direct definition of the limit state function for failure by plastic collapse or by inadaptation. In a FEM formulation the limit state function is obtained from a nonlinear optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error. Moreover, the direct way leads to highly effective and precise reliability analyses. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. 2000 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-75 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Basis Reduction for the Shakedown Problem for Bounded Kinematic Hardening Material Limit and shakedown analysis are effective methods for assessing the load carrying capacity of a given structure. The elasto-plastic behavior of the structure subjected to loads varying in a given load domain is characterized by the shakedown load factor, defined as the maximum factor which satisfies the sufficient conditions stated in the corresponding static shakedown theorem. The finite element dicretization of the problem may lead to very large convex optimization. For the effective solution a basis reduction method has been developed that makes use of the special problem structure for perfectly plastic material. The paper proposes a modified basis reduction method for direct application to the two-surface plasticity model of bounded kinematic hardening material. The considered numerical examples show an enlargement of the load carrying capacity due to bounded hardening. 2000 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-94 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Direct FEM Limit and Shakedown Analysis with Uncertain Data The structural reliability with respect to plastic collapse or to inadaptation is formulated on the basis of the lower bound limit and shakedown theorems. A direct definition of the limit state function is achieved which permits the use of the highly effective first order reliability methods (FORM) is achieved. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. The limit state function and its gradient are obtained from a mathematical optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error, leading to highly effective and precise reliability analyses. 2000 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-207 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Szelinski, E., ; Heitzer, Michael, Kollapsanalyse von längsfehlerbehafteten Rohren und Behältern Es werden verbesserte Kollapsanalysen von dickwandigen, mit axialen Oberflächenfehlern behafteten Rohren und Behältern vorgeschlagen. 2001 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-206 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, Michael, ; Reinders, H., ; Schubert, F., Einspielen und Ratchetting bei Zug- und Torsionsbelastung: Analyse und Experimente Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der klassischen Plastizitätstheorie, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Eine FEM-basierte Traglast- und Einspielanalyse für ideal plastisches Material wurde auf ein kinematisch verfestigendes Materialgesetz erweitert und in das Finite Element Programm PERMAS implementiert. In einem einfachen Zug-Torsionsexperiment wurde eine Hohlprobe mit konstanter Torsion und zyklischer Zugbelastung beansprucht, um die neue Implementierung zu verifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Einspielanalyse gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Bei Verfestigung lassen sich wesentlich größere Sicherheiten nachweisen. Dieses Potential bedarf weiterer experimenteller Absicherung. Parallel dazu ist die Eisnpieltheorie auf fortschrittliche Verfestigungsansätze zu erweitern. 2001 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-71 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Cyclic plastic deformation tests to verify FEM-based shakedown analyses Fatigue analyses are conducted with the aim of verifying that thermal ratcheting is limited. To this end it is important to make a clear distintion between the shakedown range and the ratcheting range (continuing deformation). As part of an EU-supported research project, experiments were carried out using a 4-bar model. The experiment comprised a water-cooled internal tube, and three insulated heatable outer test bars. The system was subjected to alternating axial forces, superimposed with alternating temperatures at the outer bars. The test parameters were partly selected on the basis of previous shakedown analyses. During the test, temperatures and strains were measured as a function of time. The loads and the resulting stresses were confirmed on an ongoing basis during performance of the test, and after it. Different material models were applied for this incremental elasto-plastic analysis using the ANSYS program. The results of the simulation are used to verify the FEM-based shakedown analysis. 2001 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-77 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de LISA - a European project for FEM-based limit and shakedown analysis The load-carrying capacity or the safety against plastic limit states are the central questions in the design of structures and passive components in the apparatus engineering. A precise answer is most simply given by limit and shakedown analysis. These methods can be based on static and kinematic theorems for lower and upper bound analysis. Both may be formulated as optimization problems for finite element discretizations of structures. The problems of large-scale analysis and the extension towards realistic material modelling will be solved in a European research project. Limit and shakedown analyses are briefly demonstrated with illustrative examples. 2001 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-62 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Heitzer, Michael, The restricted influence of kinematic hardening on shakedown loads Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratcheting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratcheting range. In cyclic plasticity more sophisticated hardening models have been suggested in order to model the strain evolution observed in ratcheting experiments. The hardening models used in shakedown analysis are comparatively simple. It is shown that shakedown analysis can make quite stable predictions of admissible load ranges despite the simplicity of the underlying hardening models. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis. Both give identical or similar shakedown ranges. Structural shakedown analyses show that the loading may have a more pronounced effect than the hardening model. 2002 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-74 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Shakedown and ratchetting under tension-torsion loadings: analysis and experiments Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratchetting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratchetting range. The performed experiment comprised a hollow tension specimen which was subjected to alternating axial forces, superimposed with constant moments. First, a series of uniaxial tests has been carried out in order to calibrate a bounded kinematic hardening rule. The load parameters have been selected on the basis of previous shakedown analyses with the PERMAS code using a kinematic hardening material model. It is shown that this shakedown analysis gives reasonable agreement between the experimental and the numerical results. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis. 2003 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-76 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Design by Analysis of Pressure Components by non-linear Optimization This paper presents the direct route to Design by Analysis (DBA) of the new European pressure vessel standard in the language of limit and shakedown analysis (LISA). This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for some examples from the DBA-Manual. One observation from the examples is, that the optimisation approach gives reliable and close lower bound solutions leading to simple and optimised design decision. 2003 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-70 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Plastic collapse analysis of longitudinally flawed pipes and vessels Improved collapse loads of thick-walled, crack containing pipes and vessels are suggested. Very deep cracks have a residual strength which is better modelled by a global limit load. In all burst tests, the ductility of pressure vessel steels was sufficiently high whereby the burst pressure could be predicted by limit analysis with no need to apply fracture mechanics. The relative prognosis error increases however, for long and deep defects due to uncertainties of geometry and strength data. 2004 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-95 Wissenschaftlicher Artikel Vu, Duc-Khoi, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de An algorithm for shakedown analysis of structure with temperature dependent yield stress This work is an attempt to answer the question: How to use convex programming in shakedown analysis of structures made of materials with temperature-dependent properties. Based on recently established shakedown theorems and formulations, a dual relationship between upper and lower bounds of the shakedown limit load is found, an algorithmfor shakedown analysis is proposed. While the original problem is neither convex nor concave, the algorithm presented here has the advantage of employing convex programming tools. 2004 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-96 Wissenschaftlicher Artikel Kühn, Raoul-Roman, ; Haugner, Werner, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Sponagel, Stefan, sponagel@fh-aachen.de A Two Phase Mixture Model based on Bone Observation An optimization method is developed to describe the mechanical behaviour of the human cancellous bone. The method is based on a mixture theory. A careful observation of the behaviour of the bone material leads to the hypothesis that the bone density is controlled by the principal stress trajectories (Wolff's law). The basic idea of the developed method is the coupling of a scalar value via an eigenvalue problem to the principal stress trajectories. On the one hand this theory will permit a prediction of the reaction of the biological bone structure after the implantation of a prosthesis, on the other hand it may be useful in engineering optimization problems. An analytical example shows its efficiency. 2004 campus http://dx.doi.org/10.1002/pamm.200410290 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-72 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Local and global collapse pressure of longitudinally flawed pipes and cylindrical vessels Limit loads can be calculated with the finite element method (FEM) for any component, defect geometry, and loading. FEM suggests that published long crack limit formulae for axial defects under-estimate the burst pressure for internal surface defects in thick pipes while limit loads are not conservative for deep cracks and for pressure loaded crack-faces. Very deep cracks have a residual strength, which is modelled by a global collapse load. These observations are combined to derive new analytical local and global collapse loads. The global collapse loads are close to FEM limit analyses for all crack dimensions. 2005 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-73 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Direct finite element route for design-by-analysis of pressure components In the new European standard for unfired pressure vessels, EN 13445-3, there are two approaches for carrying out a Design-by-Analysis that cover both the stress categorization method (Annex C) and the direct route method (Annex B) for a check against global plastic deformation and against progressive plastic deformation. This paper presents the direct route in the language of limit and shakedown analysis. This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for mechanical and thermal actions. One observation from the examples is that the so-called 3f (3Sm) criterion fails to be a reliable check against progressive plastic deformation. Precise conditions are given, which greatly restrict the applicability of the 3f criterion. 2005 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-150 Vorlesung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Technische Mechanik. Vorlesungsmitschrift. Korrigierter Nachdr. der 3. Aufl. Überarbeitete, korrigierte und ergänzte Version einer Vorlesungsmitschrift von Sebastian Krämer. 172 S. Inhaltsverzeichnis 0 Einführung in die Mechanik 1 Statik starrer Körper 2 Elastostatik (Festigkeitslehre) 3 Kinematik 4 Kinetik Literatur 2006 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-151 Vorlesung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Engineering Mechanics. Lecture Notes. 2nd edition, translation of the 3rd corrected and extended German edition of "Technische Mechanik" English translation of the corrected lectures notes of Sebastian Krämer. Contents 0 Introduction to Mechanics 1 Statics of Rigid Bodies 2 Elastostatics (Strength of Materials) 3 Kinematics 4 Kinetics Literature 2006 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-152 Vorlesung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Barry, Steve, Continuum Mechanics with an Introduction to the Finite Element Method / Steve Barry; Manfred Staat. With extensions by Manfred Staat. Contents: 1 Introduction 2 One Dimensional Continuum Mechanics 3 Tensors 4 Three Dimensional Stress and Strain 5 Conservation Laws 6 Contiunuum Modelling 7 Plain Problems 8 Questions 9 Reference Information 2006 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-158 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Problems and chances for probabilistic fracture mechanics in the analysis of steel pressure boundary reliability. - Überarb. Ausg. In: Technical feasibility and reliability of passive safety systems for nuclear power plants. Proceedings of an Advisory Group Meeting held in Jülich, 21-24 November 1994. - Vienna , 1996. - Seite: 43 - 55 IAEA-TECDOC-920 Abstract: It is shown that the difficulty for probabilistic fracture mechanics (PFM) is the general problem of the high reliability of a small population. There is no way around the problem as yet. Therefore what PFM can contribute to the reliability of steel pressure boundaries is demon­strated with the example of a typical reactor pressure vessel and critically discussed. Although no method is distinguishable that could give exact failure probabilities, PFM has several addi­tional chances. Upper limits for failure probability may be obtained together with trends for design and operating conditions. Further, PFM can identify the most sensitive parameters, improved control of which would increase reliability. Thus PFM should play a vital role in the analysis of steel pressure boundaries despite all shortcomings. 2006 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-191 Konferenzveröffentlichung Tran, Thanh Ngoc, tran@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Kreißig, R., Calculation of load carrying capacity of shell structures with elasto-plastic material by direct methods Proceedings of the International Conference on Material Theory and Nonlinear Dynamics. MatDyn. Hanoi, Vietnam, Sept. 24-26, 2007, 8 p. In this paper, a method is introduced to determine the limit load of general shells using the finite element method. The method is based on an upper bound limit and shakedown analysis with elastic-perfectly plastic material model. A non-linear constrained optimisation problem is solved by using Newton's method in conjunction with a penalty method and the Lagrangean dual method. Numerical investigation of a pipe bend subjected to bending moments proves the effectiveness of the algorithm. 2007 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-196 Konferenzveröffentlichung Tran, Thanh Ngoc, tran@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Kreißig, R., Finite element shakedown and limit reliability analysis of thin shells A procedure for the evaluation of the failure probability of elastic-plastic thin shell structures is presented. The procedure involves a deterministic limit and shakedown analysis for each probabilistic iteration which is based on the kinematical approach and the use the exact Ilyushin yield surface. Based on a direct definition of the limit state function, the non-linear problems may be efficiently solved by using the First and Second Order Reliabiblity Methods (Form/SORM). This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, computing costs and the numerical error. In: Computational plasticity / ed. by Eugenio Onate. Dordrecht: Springer 2007. VII, 265 S. (Computational Methods in Applied Sciences ; 7) (COMPLAS IX. Part 1 . International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE)). ISBN 978-1-402-06576-7 S. 186-189 2007 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-208 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Tran, Thanh Ngoc, tran@fh-aachen.de; Pham, Phu Tinh, Limit and shakedown reliability analysis by nonlinear programming 7th International Conference on Reliability of Materials and Structures (RELMAS 2008). June 17 - 20, 2008 ; Saint Petersburg, Russia. pp 354-358. Reprint with corrections in red Introduction Analysis of advanced structures working under extreme heavy loading such as nuclear power plants and piping system should take into account the randomness of loading, geometrical and material parameters. The existing reliability are restricted mostly to the elastic working regime, e.g. allowable local stresses. Development of the limit and shakedown reliability-based analysis and design methods, exploiting potential of the shakedown working regime, is highly needed. In this paper the application of a new algorithm of probabilistic limit and shakedown analysis for shell structures is presented, in which the loading and strength of the material as well as the thickness of the shell are considered as random variables. The reliability analysis problems may be efficiently solved by using a system combining the available FE codes, a deterministic limit and shakedown analysis, and the First and Second Order Reliability Methods (FORM/SORM). Non-linear sensitivity analyses are obtained directly from the solution of the deterministic problem without extra computational costs. 2008 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-217 Konferenzveröffentlichung Tran, Thanh Ngoc, tran@fh-aachen.de; Pham, Phu Tinh, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Reliability analysis of shells based on direct plasticity methods Abstracts der CD-Rom Proceedings of the 8th World Congress on Computational Mechanics (WCCM8) and 5th Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2008) 30.06. - 04.07.2008 Venedig, Italien. 2 Seiten Zusammenfassung der Autoren mit graph. Darst. und Literaturverzeichnis 2008 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-300 Konferenzveröffentlichung Tran, Thanh Ngoc, tran@fh-aachen.de; Novacek, V., ; Tolba, R., ; Klinge, U., ; Turquier, F., ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Experimental and Computational approach to study colorectal anastomosis. ISB2011, Proceedings of the XXIII Congress of the International Society of Biomechanics, Brussels, Belgium, July 3-7, 2011 Summary: This paper presents a methodology to study and understand the mechanics of stapled anastomotic behaviors by combining empirical experimentation and finite element analysis. Performance of stapled anastomosis is studied in terms of leakage and numerical results which are compared to in vitro experiments performed on fresh porcine tissue. Results suggest that leaks occur between the tissue and staple legs penetrating through the tissue. 2011 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-302 Wissenschaftlicher Artikel Levers, A., ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Laack, Walter van, Dr.vanLaack@web.de Analyse der Langzeitwirkung der MBST® KernspinResonanzTherapie bei Gonarthrose Originalausgabe: Orthopädische Praxis Jg. 47. 2011 H. 11; S. 536-543. Mit freundlicher Genehmigung des Verlags Zusammenfassung: Auf der Basis von Patientenabfragen mittels Fragebogen zum Schmerzempfinden und zur Einschränkung bei Aktivitäten des alltäglichen Lebens wird die Langzeitwirkung der MBST® KernspinResonanz-Therapie bei Gonarthrose untersucht. An der Studie nahmen 39 Patienten teil, bei denen die Therapie bis zu vier Jahre zurückliegt. Neben einer Gesamtbetrachtung wird der Erfolg auch in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und sportlicher Aktivität analysiert. Insgesamt weist die Studie auf eine anhaltende Verbesserung des Gesundheitszustands mit zum Teil deutlicher Schmerzlinderung auch noch nach vier Jahren hin, jedoch mit einer leichten Schmerzzunahme gegen Ende des Untersuchungszeitraums von vier Jahren. Eine tendenziell positivere Wirkung bei Frauen, älteren Menschen oder auch sportlich nicht-aktiven Patienten lässt auf eine mögliche Beeinflussung des Erfolgs der Therapie durch (Über-)Belastung im Alltag schließen. Ein zusätzlich positiver Effekt der Therapie auf die Knochendichte ist ebenfalls denkbar, dies bleibt jedoch offen. 2011 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-307 Wissenschaftlicher Artikel Gorissen, P., ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Laack, Walter van, Dr.vanLaack@web.de Experimentelle Kraftmessungen als Beitrag zur Wirksamkeitsbeurteilung von Schienbeinschonern im Fußballsport Diese Studie beschäftigte sich mit der Dämpfungswirkung von Schienbeinschonern, wie sie beim Fußball zum Einsatz kommen. Sie wurde mit Hilfe eines Pendelhammers durchgeführt, der verschiedene Aufschlagkräfte auf die Schoner ermöglichte. Dabei wurde deutlich, dass Schienbeinschoner die beste Wirkung bei Maximalkräften unterhalb von 5kN erreichen können, dass bei größerer Belastung allerdings Verbesserungsbedarf besteht. Hierfür konnte, u.a. durch den Einsatz neuer Materialien, ein guter Ansatzpunkt im „adäquaten Zusammenspiel von Schale und Polsterung" der Schoner gefunden werden. Die Untersuchung hat weiterhin gezeigt, dass zumindest teilweise eine deutliche Verbesserung der Dämpfungswirkung der Schienbeinschoner in den letzten Jahren erreicht werden konnte. 2012 2193-5785 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-5227 Wissenschaftlicher Artikel Linden, A., ; Fischöder, M., ; Laack, Walter van, Dr.vanLaack@web.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Einschränkung von Taluskippung und -vorschub durch Sprunggelenkorthesen nach fibularer Bandruptur Die fibulare Bandruptur zählt zu einer der am häufigsten auftretenden Verletzungen des Bewegungsapparats. In den meisten Fällen wird heute die konservativ frühfunktionelle Therapie mit Sprunggelenkorthesen allgemein bevorzugt. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden 14 verschiedene Sprunggelenkorthesen im Hinblick auf ihre Einschränkung von Taluskippung und Talusvorschub untersucht. Zur Simulation einer fibularen Bandruptur wurde ein Unterschenkelmodell aus Holz mit Fußteil, mit angelegten Orthesen in einen Scheuba-Halteapparat eingespannt und mit 150 N seitlich sowie anterior-posterior belastet. Anhand der erstellten "gehaltenen" Röntgenaufnahmen konnten Taluskippung und Talusvorschub jeder einzelnen Orthese eindeutig bestimmt werden. Die meisten Orthesen erreichten zufriedenstellende Ergebnisse. Es stellte sich heraus, dass vor allem eine eng anliegende, im Gelenkbereich anatomisch angepasste Form vorteilhaft zu sein scheint. Köln Deutscher Ärzte-Verl. 2013 3 OUP Zeitschrift für die orthopädische und unfallchirurgische Praxis 2 2193-5785 10.21269/5227 - FHAC-DOI ... Constraint of talar tilt and anterior drawer by different ankle braces after the rupture of fibular ligaments 6 306 309 10.3238/oup.2013.0306-0309 weltweit https://doi.org/10.3238/oup.2013.0306-0309 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-6505 Konferenzveröffentlichung Frotscher, Ralf, frotscher@fh-aachen.de; Koch, Jan-Peter, ; Raatschen, Hans-Jürgen, raatschen@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Onate, E. Evaluation of a computational model for drug action on cardiac tissue 2014 11 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI) ; 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V) ; 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) ; July 20 - 25, 2014, Barcelona 1 12 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-6506 Konferenzveröffentlichung Jung, Alexander, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Müller, Wolfram, Onate, E. Optimization of the flight style in ski jumping 2014 11 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI) ; 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V) ; 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) ; July 20 - 25, 2014, Barcelona Das Paper wurde nach der Konferenz überarbeitet. 799 810 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-6507 Konferenzveröffentlichung Bhattarai, Aroj, bhattarai@fh-aachen.de; Frotscher, Ralf, frotscher@fh-aachen.de; Sora, M.-C., ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Onate, E. A 3D finite element model of the female pelvic floor for the reconstruction of urinary incontinence 2014 11 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI) ; 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V) ; 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) ; July 20-25, 2014, Barcelona 1 12 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-6508 Konferenzveröffentlichung Tran, Thanh Ngoc, tran@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Onate, E. Uncertain multimode failure and limit analysis of shells 2014 11 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI) ; 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V) ; 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) ; July 20-25, 2014, Barcelona 1 12 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-6509 Konferenzveröffentlichung Duong, Minh Tuan, duong@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Onate, E. A face-based smoothed finite element method for hyperelastic models and tissue growth 2014 11 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI) ; 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V) ; 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) ; July 20-25, 2014, Barcelona 1 12 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-6510 Konferenzveröffentlichung Tran, Ngoc Trinh, ; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Stavroulakis, G. E., Onate, E. A multicriteria method for truss optimization 2014 11 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI) ; 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V) ; 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) ; July 20-25, 2014, Barcelona 1 12 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-7263 Konferenzveröffentlichung Frotscher, Ralf, frotscher@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Nithiarasu, Perumal Homogenization of a cardiac tissue construct [s.l.] CMBE 2015 3 CMBE15 : 4th International Conference on Computational & Mathematical Biomedical Engineering ; 29th June - 1st July 2015 ; École Normale Supérieure de Cachan ; Cachan (Paris), France Konferenzband unter: http://www.compbiomed.net/getfile.php?type=12/site_documents&id=Proceedings_2227-9385_compressed.pdf 645 648 weltweit http://doi.org/10.21269/7263 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-7442 Konferenzveröffentlichung Frotscher, Ralf, frotscher@fh-aachen.de; Duong, Minh Tuan, duong@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Simulating beating cardiomyocytes with electromechanical coupling 2015 1 II. International Conference on Biomedical Technology : 28-30 October 2015 Hannover, Germany / T. Lenarz, P. Wriggers (Eds.) 1 2 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-7859 Konferenzveröffentlichung Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de; Duong, Minh Tuan, duong@fh-aachen.de Smoothed Finite Element Methods for Nonlinear Solid Mechanics Problems: 2D and 3D Case Studies The Smoothed Finite Element Method (SFEM) is presented as an edge-based and a facebased techniques for 2D and 3D boundary value problems, respectively. SFEMs avoid shortcomings of the standard Finite Element Method (FEM) with lower order elements such as overly stiff behavior, poor stress solution, and locking effects. Based on the idea of averaging spatially the standard strain field of the FEM over so-called smoothing domains SFEM calculates the stiffness matrix for the same number of degrees of freedom (DOFs) as those of the FEM. However, the SFEMs significantly improve accuracy and convergence even for distorted meshes and/or nearly incompressible materials. Numerical results of the SFEMs for a cardiac tissue membrane (thin plate inflation) and an artery (tension of 3D tube) show clearly their advantageous properties in improving accuracy particularly for the distorted meshes and avoiding shear locking effects. 2016 5 Proceedings of the National Science and Technology Conference on Mechanical - Transportation Engineering (NSCMET 2016), 13th October 2016, Hanoi, Vietnam, Vol.2 440 445 weltweit http://doi.org/10.21269/7859 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-7817 Konferenzveröffentlichung Duong, Minh Tuan, duong@fh-aachen.de; Jung, Alexander, ; Frotscher, Ralf, frotscher@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Papadrakakis, M. A 3D electromechanical FEM-based model for cardiac tissue 2016 13 S. ECCOMAS Congress 2016, VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering. Crete Island, Greece, 5–10 June 2016 revised after the conference P11367 Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-8394 Konferenzveröffentlichung Jung, Alexander, ; Frotscher, Ralf, Frotscher@fh-aachen.de; Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de Electromechanical model of hiPSC-derived ventricular cardiomyocytes cocultured with fibroblasts The CellDrum provides an experimental setup to study the mechanical effects of fibroblasts co-cultured with hiPSC-derived ventricular cardiomyocytes. Multi-scale computational models based on the Finite Element Method are developed. Coupled electrical cardiomyocyte-fibroblast models (cell level) are embedded into reaction-diffusion equations (tissue level) which compute the propagation of the action potential in the cardiac tissue. Electromechanical coupling is realised by an excitation-contraction model (cell level) and the active stress arising during contraction is added to the passive stress in the force balance, which determines the tissue displacement (tissue level). Tissue parameters in the model can be identified experimentally to the specific sample. 2018 11 Seiten 6th European Conference on Computational Mechanics (ECCM 6), 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD 7), 11-15 June 2018, Glasgow, UK weltweit Fachbereich Medizintechnik und Technomathematik OPUS4-9646 Wissenschaftlicher Artikel Staat, Manfred, m.staat@fh-aachen.de An extension strain type Mohr-Coulomb criterion Extension fractures are typical for the deformation under low or no confining pressure. They can be explained by a phenomenological extension strain failure criterion. In the past, a simple empirical criterion for fracture initiation in brittle rock has been developed. In this article, it is shown that the simple extension strain criterion makes unrealistic strength predictions in biaxial compression and tension. To overcome this major limitation, a new extension strain criterion is proposed by adding a weighted principal shear component to the simple criterion. The shear weight is chosen, such that the enriched extension strain criterion represents the same failure surface as the Mohr-Coulomb (MC) criterion. Thus, the MC criterion has been derived as an extension strain criterion predicting extension failure modes, which are unexpected in the classical understanding of the failure of cohesive-frictional materials. In progressive damage of rock, the most likely fracture direction is orthogonal to the maximum extension strain leading to dilatancy. The enriched extension strain criterion is proposed as a threshold surface for crack initiation CI and crack damage CD and as a failure surface at peak stress CP. Different from compressive loading, tensile loading requires only a limited number of critical cracks to cause failure. Therefore, for tensile stresses, the failure criteria must be modified somehow, possibly by a cut-off corresponding to the CI stress. Examples show that the enriched extension strain criterion predicts much lower volumes of damaged rock mass compared to the simple extension strain criterion. Cham Springer Nature 2021 26 Rock mechanics and rock engineering 54 Corresponding author: Manfred Staat 12 6207 6233 10.1007/s00603-021-02608-7 weltweit https://doi.org/10.1007/s00603-021-02608-7 IfB - Institut für Bioengineering