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Maschineningenieurwissenschaften Master Information
Kernfächer
Mechanics, Materials, Structures
Die unter der Kategorie “Kernfächer” gelisteten Fächer sind empfohlen. Andere Kurse sind nicht ausgeschlossen, benötigen jedoch die Zustimmung des Tutors/der Tutorin.
NummerTitelTypECTSUmfangDozierende
151-0107-20LHigh Performance Computing for Science and Engineering (HPCSE) IW4 KP4GP. Koumoutsakos, P. Chatzidoukas
KurzbeschreibungThis course gives an introduction into algorithms and numerical methods for parallel computing for multi and many-core architectures and for applications from problems in science and engineering.
LernzielIntroduction to HPC for scientists and engineers
Fundamental of:
1. Parallel Computing Architectures
2. MultiCores
3. ManyCores
InhaltProgramming models and languages:
1. C++ threading (2 weeks)
2. OpenMP (4 weeks)
3. MPI (5 weeks)

Computers and methods:
1. Hardware and architectures
2. Libraries
3. Particles: N-body solvers
4. Fields: PDEs
5. Stochastics: Monte Carlo
SkriptLink
Class notes, handouts
151-0317-00LVisualization, Simulation and Interaction - Virtual Reality IIW4 KP3GA. Kunz
KurzbeschreibungThis lecture provides deeper knowledge on the possible applications of virtual reality, its basic technolgy, and future research fields. The goal is to provide a strong knowledge on Virtual Reality for a possible future use in business processes.
LernzielVirtual Reality can not only be used for the visualization of 3D objects, but also offers a wide application field for small and medium enterprises (SME). This could be for instance an enabling technolgy for net-based collaboration, the transmission of images and other data, the interaction of the human user with the digital environment, or the use of augmented reality systems.
The goal of the lecture is to provide a deeper knowledge of today's VR environments that are used in business processes. The technical background, the algorithms, and the applied methods are explained more in detail. Finally, future tasks of VR will be discussed and an outlook on ongoing international research is given.
InhaltIntroduction into Virtual Reality; basisc of augmented reality; interaction with digital data, tangible user interfaces (TUI); basics of simulation; compression procedures of image-, audio-, and video signals; new materials for force feedback devices; intorduction into data security; cryptography; definition of free-form surfaces; digital factory; new research fields of virtual reality
SkriptThe handout is available in German and English.
Voraussetzungen / BesonderesPrerequisites:
"Visualization, Simulation and Interaction - Virtual Reality I" is recommended.

Didactical concept:
The course consists of lectures and exercises.
151-0349-00LBetriebsfestigkeitW4 KP3GM. Guillaume, R. E. Koller
KurzbeschreibungMaterialermüdung spielt bei Leichtbau-Konstruktionen eine zentrale Rolle. Dies betrifft alle Applikationen, bei denen schwingende Belastungen auf Bauteile und Strukturen einwirken. In der Vorlesung werden die wichtigen Verfahren zur Analyse der Betriebsfestigkeit vorgestellt. Dies beginnt beim konventionellen Dauerfestigkeitsnachweis und endet bei der Anwendung der Schadenstoleranz-Philosophie.
LernzielZiele der Vorlesung

Die wichtigsten Begriffe und Phänomene der Betriebsfestigkeit und der Materialermüdung sollen eingeführt und an Beispielen aus der Praxis veranschaulicht werden. Die Methoden zur Berechnung der Dauerfestigkeit, Zeitfestigkeit, Rissinitiation und des Risswachstums werden diskutiert. Die Vorlesung soll aufzeigen wie die Probleme in der Praxis gelöst werden.
Die Beispiele der ICE Katastrophe bei Eschede oder die Probleme des Combino Trams zeigen, dass das Thema hoch aktuell ist. Leichtbaustrukturen müssen im Flug- und Fahrzeugbereich auf Ermüdung dimensioniert werden. Die statische Auslegung genügt heute nicht mehr und führt sehr oft zu Überraschungen im Betrieb mit hohen Kostenfolgen.
Primärbauteile moderner Flugzeuge wie der Airbus A380 oder A400M sind heute auf Risswachstum mittels Schadenstoleranz Philosophie ausgelegt.
Die Betriebsfestigkeit und Materialermüdung erfordert ein breites Wissen über Werkstoffe, Betriebslasten, Fertigung sowie Analyse und Test Verfahren. Es ist ein hoch interdisziplinäres Arbeitsgebiet. Hierzu sollen die wichtigsten Werkzeuge und Verfahren vermittelt werden.
Inhalt1. EINFÜHRUNG, ÜBERSICHT, MOTIVATION
1.1 Einleitung (Allgemeines und Historisches) (Schijve; Chapter 1)
1.2 Normen und Richtlinien
1.3 Schadenfallbeispiele
• Comet-Absturz (Druckzyklen, Spannungskonzentration)
• Aloha-Vorfall auf Hawaii (Multiple site damage)
• Unfall einer Einseil-Umlaufbahn (Reibkorrosion an Umlenkscheibenwelle)
• ICE-Unfall (Radreifenbruch)
1.4 Vorführungen:
• DVD "MTW Materialermüdung (1995, 21')",
• DVD "F/A-18 Full Scale Fatigue Test (2004, 12')",
• DVD "Sicherheit von Seilbahnen (1996, 7')" mit anschl. Diskussion

2. BEANSPRUCHUNG
2.1 Betriebsfestigkeitsübersicht
2.2 Bedeutung von Betriebsbeanspruchungen
2.3 Zeitliche Verläufe (Schijve; Chapter 9)
2.4 Begriffsdefinitionen (Schijve; Chapter 9)
2.5 Erfassung von Betriebsbeanspruchungen (Schijve; Chapter 9)
2.6 Zählverfahren (Schijve; Chapter 9)
2.7 Häufigkeitsverteilungen oder Kollektive (Schijve; Chapter 9)
2.8 Einfluss der Kollektivform
2.9 Design Spektren (Schijve; Chapter 13)

3. WERKSTOFF
3.1 Betriebsfestigkeitsübersicht
3.2 Kennwertermittlung im Schwingversuch (Schijve; Chapter 13)
3.3 Schwingfestigkeitskennwerte (Schijve; Chapter 6)
3.4 Wöhler-Diagramm (Schijve; Chapter 6, 7)
3.5 Streuung von Schwingfestigkeitskennwerten (Schijve; Chapter 12)
3.6 Mittelspannungseinfluss (Schijve; Chapter 6)
3.7 Versagensmechanismen & Materialwahl (Schijve; Chapter 2)
3.8 Umgebungsbedingungen (Schijve; Chapter 16, 17)
3.9 Spezifische Kennwerte (Schijve; Chapter 6)

4. BAUTEIL
4.1 Betriebsfestigkeitsübersicht
4.2 Kerben (Schijve; Chapter 3, 7)
4.3 Eigenspannungen (Schijve; Chapter 4)
4.4 Grösseneinfluss
4.5 Oberflächenbeschaffenheit und Randschichten (Schijve; Chapter 7, 14)
4.6 Reibkorrosion (Fretting) (Schijve; Chapter 15)
4.7 Zusammenfassung der Verfahren zur Schwingfestigkeitssteigerung (Schijve; Chapter 14)

5. SICHERHEITSBEIWERT (Schijve; Chapter 19)

6. BETRIEBSFESTIGKEITSNACHWEIS
6.1 Betriebsfestigkeitsübersicht
6.2 Konzepte zur Lebensdauervorhersage
6.3 Dauerfestigkeitsnachweis
6.4 Zeitfestigkeitsnachweis nach dem Nennspannungskonzept (Schijve; Chapter 10)
6.5 Örtliches Konzept (Schijve; Chapter 10)
6.6 Bruchmechanikkonzept (Schijve; Chapter 5, 8, 11)
6.7 Treffsicherheit der Konzepte zur Abschätzung der Lebensdauer

7. KONZEPTE DER STRUKTURINTEGRITÄT
7.1 Safe Life Design (Mirage III, Pressure Vessel)
7.2 Fail Safe Design (moderner Flugzeugbau)
7.3 Damage Tolerance (Ansatz gemäss US Air Force Philosophie)
7.4 Design Philosophie beim F/A-18
7.5 Zusammenfassung
SkriptSämtliche Kapitel der in der Vorlesung verwendeten PowerPoint Präsentationen werden am ersten Vorlesungstag zu einem Preis von CHF 20.- abgegeben.
LiteraturEmpfohlene Bücher zur Begleitung der Vorlesung:

Schijve, Jaap
Fatigue of Structures and Materials
Springer Verlag, Berlin, ISBN 978-1-4020-6807-2 (Hardcover)

Broek, David
The Practical Use of Fracture Mechanics
Springer Netherlands, ISBN 978-90-247-3707-9 (Hardcover)
Voraussetzungen / BesonderesJe nach Aktualität von Ermüdungsversuchen kann ein Besuch der Empa in Dübendorf angeboten werden.
151-0353-00LMechanics of Composite Materials Information W4 KP2V + 1UG. Kress
KurzbeschreibungBehandelt wird Modellierung der Steifigkeit und Festigkeitvon faserverstärkten Kunststoffen und daraus hergestellten Laminaten sowie einfachen Bauteilen. Für Randeffekte und periodische Strukturen werden numerisch effiziente FEM-Ansätze für verallgemeinerten ebenen Dehnungszustand und Einheitszellenmodellierung erklärt. Die mechanische Interpretation von Experimenten wird auch behandelt.
LernzielZiel ist die Vermittlung des Verständnisses des Verhaltens von Strukturen aus anisotropen und heterogenen Faserverbundwerkstoffen mit all den Besonderheiten, wie sie bei Metallen nicht vorkommen. Die Vorlesung soll Begeisterung für die vielfältigen und spannenden Probleme auf diesem Gebiet wecken und damit eine Grundlage für eine entsprechende Forschungstätigkeit schaffen. Andererseits wird mit dem vermittelten Wissen auch die Befähigung für kompetente Produktentwicklung in einem industriellen Umfeld gegeben.
Inhalt1. Introduction and elastic anisotropy
2. Laminate theory
3. Thick-walled laminates and interlaminar stresses
4. Edge effects at multidirectional laminates
5. Structural problems and simplified finite-element modelling
6. Micromechanics
7. Failure hypotheses and damage prediction
8. Damage progression analysis
9. Static-strength notch-size influence
10. Fatigue Response
11. Design and sizing, sandwich theory
12. Plain-weave non-linear mechanical model
13. Composite materials mechanical testing
SkriptSkript und alles weitere Material findet sich auf MOODLE:

Link
LiteraturDie Vorlesungsunterlagen sind vollständig. Weiterführende Literatur und verwendete Quellen sind im Skript aufgeführt.
Voraussetzungen / BesonderesKeine
151-0357-00LSeilbahnenW4 KP3GG. Kovacs
KurzbeschreibungSeilbahnen sind Verkehrsmittel, bei denen Seile als Zugorgan oder/und Fahrbahn für Fahrzeuge dienen. Diese werden dort eingesetzt, wo herkömmliche Systeme aufgrund des unwegsamen Untergrundes (alpines Gelände) unverhältnismässig hohe Kosten verursachen würden. Seilbahnen sind grundsätzlich sehr umwelt-freundlich und bieten eine hohe Sicherheit.
LernzielSeilbahnen stellen ein ausgedehntes mechanisches System dar welche aufgrund ihrer vorgesehenen Ein-satzorte meist schwierigen meteorologischen sowie topografischen Bedingungen ausgesetzt sind. Damit die geforderte Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anlage gewährleistet werden kann unterliegen die Komponen-ten und deren Zusammenspiel im System hohen funktionellen Anforderungen. Dies ist speziell im Hinblick auf die relativ grossen Entfernungen (2-4 km) der einzelnen Baugruppen zu sehen.
Die angebotene Vorlesung mit Übungen bietet eine hervorragende Gelegenheit um die erlernten Grundlagen der Mechanik und des Maschinenbaus im Anlagebau anzuwenden. Es werden nicht nur die Funktion und die Festigkeit von einzelnen Komponenten sondern auch deren z.T. auch komplexe Wechselwirkung behandelt, welche für das reibungslose und sichere Beitreiben der Anlage zwingend sind. Dazu gehört auch die Ver-mittlung von Grundlagen zur Projektierung und Auslegung sowie Berechnung des Systems mit ausgeprägt interdisziplinärem Charakter. Für den Hersteller einer Seilbahnanlage stellt die Integration von Baugruppen bestehend aus sehr unterschiedlichen Technologien immer wieder eine besondere Herausforderung dar. Deshalb hat die Methodik für den Umgang mit dieser typischen Ingenieur-Aufgabe einen hohen Stellenwert und ist ein wesentlicher Inhalt der vorliegenden Vorlesung.
InhaltSeilbahnen und Seilkrane; Bauarten und Anwendungsgebiete. Anwendung von Mechanik Grundlagen auf dem Gebiet der Anlage-(System)technik, Schweiz. Bau- und Betriebsvorschriften, Planung und Anlagen mit spezieller Berücksichtigung von Betrieb und Umwelt: Drahtseile (Aufbau, Berechnung, Schäden, Kontrolle), Antriebe, Bremsen, Fahrzeuge, Streckenbauten. Berechnung der Tragseile mit Gewichtspannung und mit beidseitiger fixer Verankerung. Exkursionen.
SkriptSEILBAHNEN I
151-0360-00LMethoden der StrukturanalyseW4 KP2V + 1UG. Kress
KurzbeschreibungDie Grundlagen der Strukturauslegung werden nach den Kriterien der Festigkeit, der Stabilität, der Ermüdungsauslegung und der elasto-plastischen Strukturanalyse behandelt.
Strukturtheorien (für eindimensionalen und zweidimensionalen Tragwerke) werden auf der Basis der Energie sätze präsentiert.
LernzielErweiterung der Grundlagen zur Behandlung strukturmechanischer Auslegungsproblemen. Einführung in die Dimensionierung von Flächentragwerke. Verständnis des Zusammenhangs zwischen Materialverhalten, Strukturtheorien und Auslegungskriterien.
Inhalt1. Grundproblem der Kontinuumsmechanik und Energiesätze: Herleitung von Strukturtheorien; Homogenisierungstheorien; Finite Elementen; Bruchmechanik.
2. Strukturtheorien für Flächentragwerke und Stabilität: Scheiben, Platten; Beulen von Platten (nichtlineare Plattentheorie)
3. Festigkeitshypothesen und Materialverhalten: Duktiles Verhalten, Plastizität, vMises, Tresca, Hauptspannungshypothese; Sprödes Verhalten; Viskoplastisches Verhalten, Kriechfestigkeit
4. Strukturauslegung: Ermüdung und dynamische Strukturanalyse
SkriptSkript und alle anderen Vorlesungsunterlagen erhältlich auf MOODLE
Voraussetzungen / Besondereskeine
151-0368-00LAeroelastikW4 KP2V + 1UF. Campanile
KurzbeschreibungEinführung in die Grundlagen und Methoden der Aeroelastik. Überblick über die wichtigsten statischen und dynamischen Phänomene, die aus der Kopplung zwischen Strukturkräften und aerodynamischen Lasten entstehen.
LernzielDie Vorlesung soll ein physikalisches Grundverständnis für gekoppelte Strömung-Struktur-Phänomene vermitteln. Ausserdem soll den Teilnehmern ein Überblick über die wichtigsten Phänomene der statischen und der dynamischen Aeroelastik gegeben werden, sowie eine Einführung in die entsprechenden Methoden zur mathematischen Beschreibung und zur Formulierung quantitativen Voraussagen.
InhaltElemente der Profilaerodynamik. Aeroelastische Divergenz am starren Streifenmodell. Aeroelastische Divergenz eines kontinuierlichen Flügels. Allgemeines über statische Aeroelastik.
Ruderwirksamkeit und -umkehr. Auswirkung der Flügelpfeilung auf statische aeroelastische Phänomene.
Grundelemente der instationären Aerodynamik.
Kinematik des Biegetorsionsflatterns. Dynamik des starren Flügelstreifenmodells. Dynamik des Biegetorsionsflatterns.
Einführung in die Modalanalyse
Einfühung in weitere Phänomene der dynamischen Aeroelastik.
LiteraturY. C. Fung, An Introduction to the Theory of Aeroelasticity, Dover Phoenix Editions.
151-0509-00LMicroscale Acoustofluidics Belegung eingeschränkt - Details anzeigen
Number of participants limited to 30.
W4 KP3GJ. Dual
KurzbeschreibungIn this lecture the basics as well as practical aspects (from modelling to design and fabrication ) are described from a solid and fluid mechanics perspective with applications to microsystems and lab on a chip devices.
LernzielUnderstanding acoustophoresis, the design of devices and potential applications
InhaltLinear and nonlinear acoustics, foundations of fluid and solid mechanics and piezoelectricity, Gorkov potential, numerical modelling, acoustic streaming, applications from ultrasonic microrobotics to surface acoustic wave devices
SkriptYes, incl. Chapters from the Tutorial: Microscale Acoustofluidics, T. Laurell and A. Lenshof, Ed., Royal Society of Chemistry, 2015
LiteraturMicroscale Acoustofluidics, T. Laurell and A. Lenshof, Ed., Royal Society of Chemistry, 2015
Voraussetzungen / BesonderesSolid and fluid continuum mechanics. Notice: The exercise part is a mixture of presentation, lab session and hand in homework.
151-0513-00LMechanics of Soft Materials and TissuesW4 KP3GA. E. Ehret
KurzbeschreibungAn introduction to concepts for the constitutive modelling of highly deformable materials with non-linear properties is given in application to rubber-like materials and soft biological tissues. Related experimental methods for materials characterization and computational methods for simulation are addressed.
LernzielThe objective of the course is to provide an overview of the wide range of non-linear mechanical behaviors displayed by soft materials and tissues together with a basic understanding of their physical origin, to familiarize students with appropriate mathematical concepts for their modelling, and to illustrate the application of these concepts in different fields in mechanics.
InhaltSoft solids: rubber-like materials, gels, soft biological tissues
Non-linear continuum mechanics: kinematics, stress, balance laws
Mechanical characterization: experiments and their interpretation
Constitutive modeling: basic principles
Large strain elasticity: hyperelastic materials
Rubber-elasticity: statistical vs. phenomenological models
Biomechanics of soft tissues: composites, anisotropy, heterogeneity
Dissipative behavior: examples and the concept of internal variables.
SkriptAccompanying learning materials will be provided or made available for download during the course.
LiteraturRecommended text:
G.A. Holzapfel, Nonlinear Solid Mechanics - A continuum approach for engineering, 2000
L.R.G. Treloar, The physics of rubber elasticity, 3rd ed., 2005
P. Haupt, Continuum Mechanics and Theory of Materials, 2nd ed., 2002
Voraussetzungen / BesonderesA good knowledge base in continuum mechanics, ideally a completed course in non-linear continuum mechanics, is recommended.
151-0519-00LComputational Solid Mechanics Information W4 KP4GD. Kochmann
KurzbeschreibungTheoretical foundations and numerical applications of computational solid mechanics with a focus on the finite element method and related techniques, including the development and implementation of a finite element code in C++.
LernzielTo acquire the theoretical background and the practical implementation experience required to develop and use computational codes and to computationally solve problems of solid mechanics.
InhaltTheoretical concepts of computational continuum mechanics (continuum mechanics in small and finite strains, constitutive modeling, variational methods, finite elements and finite differences, elastodynamics, initial boundary value problems), implementation strategies and details (coding in C++, development of a finite element code including material models, elements, assemblers, solvers, etc.) and application of the code to solve initial boundary value problems.
SkriptNotes will be provided.
LiteraturNo textbook, helpful reference literature will be announced.
Voraussetzungen / BesonderesA background in solid mechanics is required (e.g., Mechanics 1, 2 and 3 or equivalent); a background in continuum mechanics is helpful.
151-0523-00LDynamik der SchienenfahrzeugeW4 KP2V + 1UO. Polach
KurzbeschreibungNach einer Einführung in die Konstruktion der Schienenfahrzeuge werden die Modellierung des Kontaktes zwischen Rad und Schiene, die Bildung eines Simulationsmodels und die Grundlagen der Spurführung erläutert. Die Anwendungen der Simulationen in der Entwicklung der Schienenfahrzeuge werden präsentiert und an Beispielen illustriert.
LernzielErarbeiten der theoretischen Grundlagen der Spurführung und der Dynamik der Schienenfahrzeuge. Verständnis der Hintergründe der Mehrkörper-Simulationsprogramme und deren Anwendung in der Entwicklung der Schienenfahrzeuge.
InhaltEinführung in die Schienenfahrzeugtechnik: Fahrzeugkonzepte, Fahrwerke, Federsysteme, Bremsen, Antriebe.
Einsatz der Mehrkörper-Simulationen in der Schienenfahrzeugindustrie. Simulationsprogramme.
Fahrzeugmodell: Modellaufbau, Modellierung der Schraubenfedern, der Gummi-Metall-Federn, der Luftfedern und der Federbauteile mit Reibung.
Kontakt Rad-Schiene: Berührgeometrie, Kontaktfläche, Normalkräfte, Tangentialkräfte.
Gleismodelle. Modellierung der Gleislagefehler.
Linearisierung der Berührgeometrie Radsatz-Gleis.
Grundlagen der Spurführung.
Eigenverhalten, Eigenwertberechnung.
Linearisierte und nichtlineare Berechnungen der Laufstabilität: Methoden und Beurteilungskriterien. Einfluss der Fahrzeugkonstruktion auf die Laufstabilität.
Bogenfahrt: Grundlagen, quasi-statische Lösung, dynamische Simulation, Beurteilungskriterien. Einfluss der Fahrzeugkonstruktion auf die Fahreigenschaften im Bogen.
Beurteilung des Fahrkomforts.
Versuche und Simulationen zur fahrtechnischen Zulassung der Schienenfahrzeuge. Validierung der Simulationsmodelle zur Anwendung im Rahmen der Fahrzeugzulassung.
SkriptSkript wird zur Verfügung gestellt.
Voraussetzungen / BesonderesGrundlagen von Mechanik und Physik.
151-0524-00LContinuum Mechanics IW4 KP2V + 1UE. Mazza
KurzbeschreibungKonstitutive Gleichungen für strukturmechanische Berechnungen werden behandelt. Dies beinhaltet anisotrope lineare Elastizität, lineare Viskoelastizität, Plastizität und Viscoplastizität. Es werden die Grundlagen der Mikro-Makro Modellierung und der Laminattheorie eingeführt. Die theoretischen Ausführungen werden durch Beispiele aus Ingenieuranwendungen und Experimente ergänzt.
LernzielBehandlung von Grundlagen zur Lösung kontinuumsmechanischer Probleme der Anwendung, mit besonderem Fokus auf konstitutive Gesetze.
InhaltAnisotrope Elastizität, Linearelastisches und linearviskoses Stoffverhalten, Viskoelastizität, mikro-makro Modellierung, Laminattheorie, Plastizität, Viscoplastizität, Beispiele aus der Ingenieuranwendung, Vergleich mit Experimenten.
Skriptja
151-0525-00LWave Propagation in SolidsW4 KP2V + 1UJ. Dual, D. Mohr
KurzbeschreibungPlane Waves, harmonic waves, Fourier analysis and synthesis, dispersion, distorsion, damping, group and phase velocity, transmission and reflection, impact, waves in linear elastic continua, elastic plastic waves, experimental and numerical methods in wave propagation.
LernzielStudents learn, which technical problems must be approached using the methods used in wave propagation in solids. Furthermore, they learn to use these methods and develop an intuitive feeling for phenomena that can be expected in various situations.
InhaltWave Propagation in solids including applications.
Content: Phenomenology of wave propagation ( plane waves, harmonic waves, harmonic analysis and synthesis, dispersion, attenuation, group and phase velocity), transmission and reflection, impact problems, waves in linear elastic media ( P- Waves, S-Waves, Rayleigh waves, guided waves), elastic plastic waves, experimental and numerical methods.
SkriptHandouts
LiteraturVarious books will be recommended pertaining to the topics covered.
Voraussetzungen / BesonderesLanguage according to the wishes of students.
151-0532-00LNonlinear Dynamics and Chaos I Information W4 KP2V + 2UF. Kogelbauer
KurzbeschreibungBasic facts about nonlinear systems; stability and near-equilibrium dynamics; bifurcations; dynamical systems on the plane; non-autonomous dynamical systems; chaotic dynamics.
LernzielThis course is intended for Masters and Ph.D. students in engineering sciences, physics and applied mathematics who are interested in the behavior of nonlinear dynamical systems. It offers an introduction to the qualitative study of nonlinear physical phenomena modeled by differential equations or discrete maps. We discuss applications in classical mechanics, electrical engineering, fluid mechanics, and biology. A more advanced Part II of this class is offered every other year.
Inhalt(1) Basic facts about nonlinear systems: Existence, uniqueness, and dependence on initial data.

(2) Near equilibrium dynamics: Linear and Lyapunov stability

(3) Bifurcations of equilibria: Center manifolds, normal forms, and elementary bifurcations

(4) Nonlinear dynamical systems on the plane: Phase plane techniques, limit sets, and limit cycles.

(5) Time-dependent dynamical systems: Floquet theory, Poincare maps, averaging methods, resonance
SkriptThe class lecture notes will be posted electronically after each lecture. Students should not rely on these but prepare their own notes during the lecture.
Voraussetzungen / Besonderes- Prerequisites: Analysis, linear algebra and a basic course in differential equations.

- Exam: two-hour written exam in English.

- Homework: A homework assignment will be due roughly every other week. Hints to solutions will be posted after the homework due dates.
151-0535-00LOptical Methods in Experimental MechanicsW4 KP3GE. Hack, R. Brönnimann
KurzbeschreibungDie Vorlesung behandelt optische Methoden zur Messung des mechanischen Verhaltens einer Struktur, zur Bestimmung von Materialparametern, und zur Validierung von numerischen Simulationen. Im Fokus stehen Anwendungen, Stärken und Grenzen bildgebender Methoden der Verformungs- und Dehnungsmessung. Die Vorlesung wird mit zwei Praktikumsnachmittagen an der Empa in Dübendorf ergänzt.
LernzielDie Studierenden können einfache optische Aufbauten planen und die Bildaufnahme beschreiben. Sie verstehen das Messprinzip der verschiedenen Messmethoden zur Form-, Verformungs- und Dehnungsmessung. Insbesondere können sie erklären, wie die Messgrösse in ein Interferenzsignal, eine Polarisations- oder eine Temperaturänderung umgewandelt wird. Sie kennen die wichtigsten Anwendungen und Einsatzgebiete der einzelnen Techniken. Sie sind in der Lage, die für eine Messaufgabe am besten geeignete Technik auszuwählen und deren erwartete Auflösung abzuschätzen. An den Praktikumsnachmittagen werden die theoretischen Betrachtungen durch konkrete Messaufgaben vertieft, womit der Lernerfolg nachhaltig wird.
InhaltNach einer Einführung in Optik und Bilderfassung wird erläutert, auf welche Weise mechanische Grössen wie Verformung, Dehnung oder Spannung in eine Bildinformation umgesetzt werden. Die Messmethoden basieren auf diversen optischen Prinzipien :

- Triangulation (Bildkorrelation, Streifenprojektion)
- Interferenz (Speckle Pattern Interferometrie, Shearography)
- Beugung (Moiré-Interferometrie, Faser-Bragg-Gitter)
- Doppelbrechung (Spannungsoptik)
- Wärmestrahlung (Thermal Stress Analysis)

Daneben werden dynamische Messungen im Zusammenhang mit Modalanalyse und transienten Vorgängen vertieft. Die Kalibrierung optischer Methoden und deren Anwendung auf die Validierung von numerischen Simulationen werden diskutiert.

Die einzelnen Themen sind:
1. Bildgebende Methoden: eine Einführung
2. Digitale Bildkorrelation
3. Strukturierte Weisslichtmethoden
4. Diffraktion und Interferometrie
5. Speckle pattern interferometry
6. Schwingungsanalyse und transiente Verformungen
7. Anwendungen auf Mikrosysteme und Grenzflächen
8. Spannungsanalyse: Spannungsoptik
9. Spannungsanalyse: Thermoelastizität
10. Kalibrierung und Validierung von numerischen Simulationen
11. Faseroptische Methoden

Das Semester beinhaltet zwei Praktikums-Nachmittage an der Empa, wo die Studierenden eigene Erfahrungen mit bildgebenden Methoden sammeln. Die Praktika beinhalten je nach Interessenlage der Studierenden und Verfügbarkeit der Geräte z.B Digitale Bildkorrelation, Speckle pattern interferometry, Thermoelastizität, Faseroptik, Streifenprojektion.
SkriptFolienkopien der einzelnen Lektionen werden on-line in ILIAS zur Verfügung gestellt. Jede Lektion enthält Übungen. Es wird zu einem privaten Blog eingeladen, der die Diskussion über die Vorlesung und die Übungen erleichtern soll. Musterlösungen zu den Übungen werden zeitversetzt zur Verfügung gestellt.
LiteraturEine gute Übersicht über die Grundlagen der optischen Methoden bieten die folgenden Lehrbücher:

Toru Yoshizawa, Ed., Handbook of Optical Metrology, 2nd edition, 2015, CRC Press, Boca Raton
ISBN 978-1-4665-7359-8

Pramod Rastogi, Erwin Hack, Eds., Optical Methods for Solid Mechanics: A Full-Field Approach
2012, Wiley-VCH, Berlin
ISBN 978-3-527-41111-5

W. N. Sharpe Jr., Ed., Handbook of Experimental Solid Mechanics
2009, Springer, New York
ISBN 978-0-387-26883-5
Voraussetzungen / BesonderesGrundbegriffe der Optik und Interferometrie, z.B. aus Physik-Grundkursen sind von Vorteil.

Die zwei Praktikumsnachmittage an der Empa sind zentrale Elemente der Vorlesung.
151-0550-00LAdaptive Materials for Structural Applications Information W4 KP3GP. Ermanni, A. Bergamini
KurzbeschreibungAdaptive materials offer appealing ways to extend the design space of structures by introducing time-variable properties into them. In this course, the physical working principles of selected adaptive materials are analyzed and simple models for describing their behavior are presented. Some applications are illustrated, also with laboratory experiments where possible.
LernzielThe study of adaptive materials covers topics that range from chemistry to theoretical mechanics.

The aim of this course is to convey knowledge about adaptive materials, their properties and the physical mechanisms that govern their function, so as to develop the skills to deal with this interdisciplinary subject.
InhaltThis course will provide the students with an insight into the properties and physical phenomena which lead to the features of adaptive materials. Starting from chemomechanical (skeletal muscles), the physical behavior of a wide range of adaptive materials, thermo- and photo-mechanical, electro-mechanical, magneto-mechanical and meta-materials will be thoroughly discussed and analyzed. Up-to-date results on their performance and their implementation in mechanical structures will be detailed and studied in laboratory sessions. Analytical tools and energy based considerations will provide the students with effective instruments for understanding adaptive materials and assess their performance when integrated in structures or when arranged in particular fashions.

Basic concepts: Power conjugated variables, dissipative effects, geometry- and materials-based energy conversion

Chemo-mechanical coupling: Energy conversion in skeletal muscle and other chemomechanical systems,optional: and photo-mechanical coupling, azopolymers.

Thermo-mechanical coupling: Shape memory alloys / polymers

Electromechanical coupling(1): DEA, EBL, electrorheological fluids

Shape control / morphing: Use, requirements, challenges

Morphing applications of variable stiffness structures: Lab work

Electromechanical coupling (2): Piezoelectric, electrostrictive effect
Vibration Reduction: Measurement, passive, semi-active (active) damping methods

Vibration reduction applications of piezoelectric materials: Lab work

Metamaterials: Definition of metamaterials - electromagnetic, acoustical and other metamaterials

Magneto-mechanical coupling: Magnetostrictive effect, mSMA, magnetorheological fluids, ferrofluids

Energy harvesting and sensing: Energy harvesting with EAP and piezoelectric materials, transducers as sensors: Piezo, resistive,...
SkriptLecture notes (manuscript and handouts) will be provided
151-0573-00LSystem Modeling Information W4 KP2V + 2UG. Ducard
KurzbeschreibungEinführung in die Systemmodellierung für die Steuerung. Generische Modellierungsansätze auf der Grundlage erster Prinzipien, Lagrangealer Formalismus, Energieansätze und experimentelle Daten. Modellparametrierung und Parametrierung. Grundlegende Analyse von linearen und nichtlinearen Systemen.
LernzielErfahren Sie, wie man mathematisch ein physisches System oder einen Prozess in Form eines Modells beschreibt, das für Analyse- und Kontrollzwecke verwendbar ist.
InhaltDiese Klasse führt generische Systemmodellierungsansätze für steuerungsorientierte Modelle ein, die auf ersten Prinzipien und experimentellen Daten basieren. Die Klasse umfasst zahlreiche Beispiele für mechatronische, thermodynamische, chemische, flüssigkeitsdynamische, energie- und verfahrenstechnische Systeme. Modellskalierung, Linearisierung, Auftragsreduktion und Ausgleich. Parameterschätzung mit Methoden der kleinsten Quadrate. Verschiedene Fallstudien: Lautsprecher, Turbinen, Wasser Rakette, geostationäre Satelliten usw. Die Übungen behandeln praktische Beispiele.
SkriptDas Skript in englischer Sprache wird in der ersten Lektion verkauft.
LiteraturEine Literaturliste ist im Skript enthalten.
151-0655-00LSkills for Creativity and InnovationW4 KP3GI. Goller, C. Kobe
KurzbeschreibungThis lecture aims to enhance the knowledge and competency of students regarding their innovation capability. An overview on prerequisites of and different skills for creativity and innovation in individual & team settings is given. The focus of this lecture is clearly on building competencies - not just acquiring knowledge.
Lernziel- Basic knowledge about creativity and skills
- Knowledge about individual prerequisites for creativity
- Development of individual skills for creativity
- Knowledge about teams
- Development of team-oriented skills for creativity
- Knowledge and know-how about transfer to idea generation teams
InhaltBasic knowledge about creativity and skills:
- Introduction into creativity & innovation: definitions and models

Knowledge about individual prerequisites for creativity:
- Personality, motivation, intelligence

Development of individual skills for creativity:
- Focus on creativity as problem analysis & solving
- Individual skills in theoretical models
- Individual competencies: exercises and reflection

Knowledge about teams:
- Definitions and models
- Roles in innovation processes

Development of team-oriented skills for creativity:
- Idea generation and development in teams
- Cooperation & communication in innovation teams

Knowledge and know-how about transfer to idea generation teams:
- Self-reflection & development planning
- Methods of knowledge transfer
SkriptSlides, script and other documents will be distributed via moodle.ethz.ch
(access only for students registered to this course)
LiteraturGoller, I. & Bessant, J. (2017). Creativity for Innovation Management. Routledge. (ISBN-13: 978-1138641327)
As well as material handed out in the lecture
151-0703-00LBetriebliche Simulation von ProduktionsanlagenW4 KP2V + 1UP. Acél
KurzbeschreibungDer Studierende lernt den Umgang mit ereignisorientierter Simulation zur Auslegung und betrieblichen Optimierung von Produktionsanlagen anhand von Praxisbeispielen.
LernzielDer Studierende lernt die richtige Anwendung (Wo? Wann? Wie?) der ereignisorientierten und computerbasierten Simulation in der Abbildung von Betriebsabläufen und Produktionsanlagen.
Anhand von Praxisbeispielen wird betriebliche Simulation in Produktion, Logistik und Planung aufgezeigt.
Der Studierende soll erste eigene Erfahrungen in der Anwendung machen.
Inhalt- Anwendung und Einsatzgebiete der ereignisorientierten Simulation
- Beispielhafte Anwendung eines Softwaretools (Technomatrix-Simulation-Software)
- Innerer Aufbau und Funktionsweise von Simulationstools
- Vorgehen zur Anwendung: Optimierung, Versuchsplanung, Auswertung, Datenaufbereitung
- Steuerungsphilosophien, Notfallkonzepte, Abtaktung, Fertigungsinseln
- Anwendung auf die Anlagenprojektierung

Der Stoff wird durch praxisorientierte Übungen und eine Exkursion vertieft. Ein Gastreferat stellt ein Beispiel aus der Praxis vor.
SkriptWird vorlesungsbegleitend ausgegeben (+ PDF)
Voraussetzungen / BesonderesEmpfohlen für alle Bachelor-Studierenden im 5. Semester und Master-Studierenden im 7. Semester.
151-0705-00LFertigungstechnik IW4 KP2V + 2UK. Wegener, M. Boccadoro, F. Kuster
KurzbeschreibungVertiefung in die Fertigungsverfahren Bohren, Fräsen, Schleifen, Honen, Läppen, Funkenerosion und elektrochemisches Abtragen. Stabilität von Prozessen, Prozessketten und Verfahrenswahl.
LernzielVertiefte Behandlung der spanenden Fertigungsverfahren und ihrer Optimierung. Kenntnisse der NC-Technik, Prozess- und Maschinendynamik, Rattern sowie Prozessüberwachung.
InhaltVertiefte Betrachtung der spanenden Fertigungsverfahren und ihrer Optimierung, Zerspanung mit unbestimmter Schneide wie Schleifen, Honen und Läppen, Bearbeitungsverfahren ohne Schneide wie EDM, ECM, Ausblick auf Zusatzgebiete wie NC-Techniken, Maschinen- und Prozessdynamik inklusive Rattern sowie Prozessüberwachung.
Skriptja
Voraussetzungen / BesonderesVoraussetzungen: Empfehlung: Vorlesung 151-0700-00L Fertigungstechnik Wahlfach im 4. Semester
Sprache: Auf Wunsch erhalten englischsprachige Studenten Hilfe auf Anfrage, englische Übersetzungen der Präsentationsfolien.
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