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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
151-0116-10LHigh Performance Computing for Science and Engineering (HPCSE) for Engineers II Information W4 KP4GP. Koumoutsakos, S. M. Martin
KurzbeschreibungThis course focuses on programming methods and tools for parallel computing on multi and many-core architectures. Emphasis will be placed on practical and computational aspects of Uncertainty Quantification and Propagation including the implementation of relevant algorithms on HPC architectures.
LernzielThe course will teach
- programming models and tools for multi and many-core architectures
- fundamental concepts of Uncertainty Quantification and Propagation (UQ+P) for computational models of systems in Engineering and Life Sciences
InhaltHigh Performance Computing:
- Advanced topics in shared-memory programming
- Advanced topics in MPI
- GPU architectures and CUDA programming

Uncertainty Quantification:
- Uncertainty quantification under parametric and non-parametric modeling uncertainty
- Bayesian inference with model class assessment
- Markov Chain Monte Carlo simulation
Skripthttps://www.cse-lab.ethz.ch/teaching/hpcse-ii_fs21/
Class notes, handouts
Literatur- Class notes
- Introduction to High Performance Computing for Scientists and Engineers, G. Hager and G. Wellein
- CUDA by example, J. Sanders and E. Kandrot
- Data Analysis: A Bayesian Tutorial, D. Sivia and J. Skilling
- An introduction to Bayesian Analysis - Theory and Methods, J. Gosh, N. Delampady and S. Tapas
- Bayesian Data Analysis, A. Gelman, J. Carlin, H. Stern, D. Dunson, A. Vehtari and D. Rubin
- Machine Learning: A Bayesian and Optimization Perspective, S. Theodorides
Voraussetzungen / BesonderesStudents must be familiar with the content of High Performance Computing for Science and Engineering I (151-0107-20L)
151-0232-00LEngineering Acoustics IIW4 KP3GN. Noiray, S. M. Schoenwald, B. Van Damme
KurzbeschreibungThis course presents the application of fundamental elements in engineering acoustics. It consists of three parts: elastic wave propagation in fluids and solids (including nonlinear, anisotropic and complex materials), sound radiation and transmission in structures, and aero- and thermo-acoustic sources and instabilities.
LernzielApplication of the basic concepts of engineering acoustics: acoustic absorption, solid wave propagation, acoustic transmission and sound radiation by reacting and non-reacting flows in complex engineering systems that are relevant to noise control practice. We cover the broad field of modelling, analysis, design and testing of flows, materials and structures with the aim of developing systems which exhibit the targeted acoustical behavior.
InhaltWave Attenuation, Vibration Damping, Acoustic Absorption, Sound Transmission, Radiation, Broadband and Tonal Aeroacoustic Noise, Active and Passive Control of Thermoacoustic Instabilities.
SkriptDownload during semester.
LiteraturLiterature is given in course material.
Voraussetzungen / BesonderesRequired: Fundamentals of Mechanics and Dynamics / Recommended: Engineering Acoustics I.
151-0304-00LDimensionieren IIW4 KP4GK. Wegener
KurzbeschreibungDimensionieren (Festigkeitsrechnung) von Bauteilen und Maschinenelementen. Welle-Nabeverbindung, Schweiss- und Lötverbindungen, Federn, Schrauben, Wälz - und Gleitlager, Getriebe, Verzahnungen, Kupplungen und Bremsen sowie deren praktische Anwendung.
LernzielDie Studierenden erweitern in dieser Lehrveranstaltung ihr Wissen über das Dimensionieren von Bauteilen und Maschinen-Elementen. Es wird grossen Wert auf die Anwendung des Wissens zum Aufbau einer Handlungskompetenz gelegt. Die Studierenden sollen in der Lage sein, selbständig Einsatzfälle aufgrund von verschiedenen Randbedingungen, Funktions - und Festigkeitsberechnungen zu entscheiden.
InhaltEs werden die Maschinen-Elemente Löt - und Schweissverbindungen, Federn, Welle-Nabeverbindung, Getriebe, Verzahnungen und Kupplungen behandelt. Zu allen Maschinenelementen wird deren Funktionsweise und Einsatz bzw. Anwendungsgrenzen sowie die Auslegung behandelt. In den Übungen werden praktische Anwendungsfälle z.T. gemeinsam z.T. eigenständig gelöst.
SkriptScript vorhanden. Kosten: SFr. 40.-
Voraussetzungen / BesonderesVoraussetzungen:
Grundlagen der Produkt-Entwicklung
Dimensionieren 1

Kredit-Bedingungen/ Prüfung:
Innerhalb der Lehrveranstaltung dimensionieren die Studierenden einige Beispiele selbständig. Das Lehrfach wird in der darauffolgenden Prüfungssession geprüft. Kredite werden erteilt, wenn die Prüfung bestanden ist.
151-0306-00LVisualization, Simulation and Interaction - Virtual Reality I Information W4 KP4GA. Kunz
KurzbeschreibungTechnologie der virtuellen Realität. Menschliche Faktoren, Erzeugung virtueller Welten, Beleuchtungsmodelle, Display- und Beschallungssysteme, Tracking, haptische/taktile Interaktion, Motion Platforms, virtuelle Prototypen, Datenaustausch, VR-Komplettsysteme, Augmented Reality; Kollaborationssysteme; VR und Design; Umsetzung der VR in der Industrie; Human COmputer Interfaces (HCI).
LernzielDie Studierenden erhalten einen Überblick über die virtuelle Realität, sowohl aus technischer als auch aus informationstechnologischer Sicht. Sie lernen unterschiedliche Software- und Hardwareelemente kennen sowie deren Einsatzmöglichkeiten im Geschäftsprozess. Die Studierenden entwickeln eine Kenntnis darüber, wo sich heute die virtuelle Realität nutzbringend einsetzen lässt und wo noch weiterer Forschungsbedarf besteht. Anhand konkreter Programme und Systeme erfahren die Teilnehmer den Umgang mit den erlernten neuen Technologien.
Studierende sind in der Lage:
• gängige VR-Technologien zu evaluieren und die geeignetste für eine gegebene Aufgabe auszuwählen bezüglich der folgenden Gesichtspunkte:
o Visualisierungsmöglichkeiten: Monitore, Projektionssysteme, Datenbrillen
o Positionserfassungssystemen (optisch/elektromagnetisch/mechanisch)
o Interaktionstechnologien: Datenhandschuhe, Möglichkeit des echten Laufens/Erfassung der Augenbewegung/manuelle Interaktion, usw.
• eine VR-Anwendung selbstständig zu entwickeln,
• die VR-Technologie auf industrielle Anforderungen anzuwenden,
• das erlernte Wissen in einer praktischen Anwendung zu vertiefen.
• grundlegende Unterschiede in Anwendung digitaler Welten zu vergleichen (VR/AR/MR/XR)
InhaltDiese Vorlesung gibt eine Einführung in die Technologie der virtuellen Realität als neues Tool zur Bewältigung komplexer Geschäftsprozesse. Es sind die folgenden Themen vorgesehen: Einführung und Geschichte der VR; Eingliederung der VR in die Produktentwicklung; Nutzen von VR für die Industrie; menschliche Faktoren als Grundlage der virtuellen Realität; Einführung in die Erzeugung (Modellierung) virtueller Welten; Beleuchtungsmodelle; Kollisionserkennung; Displaysysteme; Projektionssysteme; Beschallungssysteme; Trackingssysteme; Interaktionsgeräte für die virtuelle Umgebung; haptische und taktile Interaktion; Motion Platforms; Datenhandschuh; physikalisch basierte Simulation; virtuelle Prototypen; Datenaustausch und Datenkommunikation; VR-Komplettsysteme; Augmented Reality; Kollaborationssysteme; VR zur Unterstützung von Designaufgaben; Umsetzung der VR in der Industrie; Ausblick in die laufende Forschung im Bereich VR.

Lehrmodule:
- Geschichte der VR und Definition der wichtigsten Begriffe
- Einordnung der VR in Geschäftsprozesse
- Die Erzeugung virtueller Welten
- Geräte und Technologien für die immersive virtuelle Realität
- Anwendungen der VR in unterschiedlichsten Gebieten
SkriptDie Durchführung der Lehrveranstaltung erfolgt gemischt mit Vorlesungs- und Übungsanteilen.
Die Vorlesung kann auf Wunsch in Englisch erfolgen. Das Skript ist ebenfalls in Englisch verfügbar.
Skript, Handout; Kosten SFr.30.-
Voraussetzungen / BesonderesVoraussetzungen:
keine
Vorlesung geeignet für D-MAVT, D-ITET, D-MTEC und D-INF

Testat/ Kredit-Bedingungen/ Prüfung:
– Teilnahme an Vorlesung und Kolloquien
– Erfolgreiche Durchführung von Übungen in Teams
– Mündliche Einzelprüfung 30 Minuten
151-0314-00LInformationstechnologien im digitalen ProduktW4 KP3GE. Zwicker, R. Montau
KurzbeschreibungZielsetzung, Konzepte und Methoden der Digitalisierung, Digitales Produkt und Product Lifecycle Management (PLM), Industrie 4.0
Digitalisierungskonzepte: Produktstrukturen, Prozessoptimierung mit digitalen Modellen in Verkauf, Produktion, Service, Digital Twin versus Digital Thread
PLM-Grundlagen: Objekte, Strukturen, Prozesse, Integrationen, Visualisierung
Praktische Anwendungen
LernzielStudierenden lernen die Grundlagen und Konzepte der Digitalisierung im Produktlebenszylus auf Basis von Produkt Lifecycle Management-Technologien (PLM), den Einsatz von Datenbanken, die Integration von CAx-Systemen und Visualisierung/AR, den Aufbau computergestützter Kollaboration auf Basis von Standards und Protokollen sowie das Varianten- und Konfigurationsmanagement zur effizienten Nutzung des Digitalen Produkt-Ansatzes für Industrie 4.0.
InhaltMöglichkeiten und Potenziale moderner IT-Applikationen mit Fokus auf PLM- und CAx--Technologien für den zielgerichteten Einsatz im Zusammenhang Produktplattform - Unternehmensprozesse - IT-Tools. Einführung in die Konzepte des Product Lifecycle Managements (PLM): Informationsmodellierung, Datenmanagement, Revisionierung, Nutzung und Verteilung von Produktdaten. Aufbau und Funktionsweise von PLM-Systemen. Integration neuer IT-Technologien in Unternehmensprozesse. Möglichkeiten der Publikation und automatischen Konfiguration von Produktvarianten im Internet. Einsatz modernster Informations- und Kommunikationstechnologien beim Entwickeln von Produkten an global verteilten Standorten. Schnittstellen der rechnerintegrierten Produktentwicklung. Auswahl, Projektierung, Anpassung und Einführung von PLM-Systemen. Beispiele und Fallstudien für den industriellen Einsatz moderner Informationstechnologien.

Lehrmodule:
- Einführung in die Digitalisierung (Digitales Produkt, PLM)
- Datenbanktechnologie (Basis der Digitalisierung)
- Objektmanagement
- Objektklassifikation
- Objektidentifikation mit Sachnummernsystem
- CAx/PLM-Integration mit Visualisierung/AR
- Workflow & Change Management
- Schnittstellen im Digitalen Produkt
- Enterprise Application Integration (EAI)
SkriptDidaktisches Konzept/Lehrmaterialien:
Die Durchführung der Lehrveranstaltung erfolgt gemischt mit Vorlesungs- und Übungsanteilen anhand von Praxisbeispielen.
Bereitstellung von Vorlesungs-Handouts und Skriptum digital in Moodle.
Voraussetzungen / BesonderesVoraussetzungen: Keine
Empfohlen: Fokus-Projekt, Interesse an Digitalisierung
Vorlesung geeignet für D-MAVT, D-MTEC, D-ITET und D-INFK

Testat/Kredit-Bedingungen / Prüfung:
- Durchführung von Übungen in Teams (empfohlen)
- Mündliche Einzelprüfung 30 Minuten, anhand konkreter Problemstellungen
151-0318-00LEcodesign - Umweltgerechte ProduktgestaltungW4 KP3GR. Züst
KurzbeschreibungEcodesign hat zum Ziel, die Umweltleistung von Produkten insgesamt zu verbessern. Zugleich soll die ökonomische und marktseitige Situation verbessert werden.
Die Vorlesung gliedert sich in drei Teile: Motivation und Einstieg ins Thema, methodische Grundlagen, sowie Anwendung in einem eigenen Kleinprojekt.
LernzielEs setzt sich die Erkenntnis durch, dass ein bedeutender Teil der Umweltbelastungen eines Unternehmens durch die eigenen Produkte in vor- und nachgelagerten Bereichen verursacht werden. Das Ziel von Ecodesign besteht darin, die Umweltauswirkungen eines Produktes über alle Produktlebensphasen insgesamt zu reduzieren. Die systematische Herleitung erfolgversprechender Verbesserungsmaßnahmen zu Beginn des Produktentwicklungsprozesses ist eine Schlüsselfähigkeit, die in der vorliegenden Vorlesung vermittelt werden soll.
Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer sollen die ökonomischen und ökologischen Potentiale von ECODESIGN erkennen, Fähigkeiten erlernen, zielgerichtet erfolgversprechende Verbesserungsmaßnahmen zu ermitteln und die erworbenen Fähigkeiten an konkreten Beispielen anwenden können.
InhaltDie Vorlesung ist in drei Blöcke unterteilt. Hier sollen die jeweiligen Fragen beantwortet werden:
A) Motivation und Einstieg ins Thema: Welche Material- und Energieflüsse werden durch Produkte über alle Lebensphasen, d.h. von der Rohstoffgewinnung, Herstellung, Distribution, Nutzung und Entsorgungen verursacht? Welchen Einfluss hat die Produktentwicklung auf diese Auswirkungen?
B) Grundlagen zum ECODESIGN PILOT: Wie können systematisch – über alle Produktlebensphasen hinweg betrachtet – bereits zu Beginn der Produktentwicklung bedeutende Umweltauswirkungen erkannt werden? Wie können zielgerichtet diejenigen Ecodesign-Maßnahmen ermittelt werden, die das größte ökonomische und ökologische Verbesserungspotential beinhalten?
C) Anwendung des ECODESIGN PILOT: Welche Produktlebensphasen bewirken den größten Ressourcenverbrauch? Welche Verbesserungsmöglichkeiten bewirken einen möglichst großen ökonomischen und ökologischen Nutzen?
Im Rahmen der Vorlesung werden verschiedene Praktische Beispiel bearbeitet.
SkriptFür den Einstieg ins Thema ECODESIGN wurde verschiedene Lehrunterlagen entwickelt, die im Kurs zur Verfügung stehen und teilwesie auch ein "distance learning" ermöglichen:

Lehrbuch: Wimmer W., Züst R.: ECODESIGN PILOT, Produkt-Innovations-, Lern- und Optimierungs-Tool für umweltgerechte Produktgestaltung mit deutsch/englischer CD-ROM; Zürich, Verlag Industrielle Organisation, 2001. ISBN 3-85743-707-3

CD: im Lehrbuch inbegriffen (oder Teil "Anwenden" on-line via: www.ecodesign.at)
Internet: www.ecodesign.at vermittelt verschiedene weitere Zugänge zum Thema. Zudem werden CD's abgegeben, auf denen weitere Lehrmodule vorhanden sind.
LiteraturHinweise auf Literaturen werden on-line zur Verfügung gestellt.
Voraussetzungen / BesonderesTestatbedingungen: Abgabe von zwei Übungen
151-0324-00LGL zum Bemessen von Kunststoffbauteilen Information W4 KP2V + 1UG. P. Terrasi
KurzbeschreibungUnverstärkte und faserverstärkte Kunststoffe (FVWS) für tragende Anwendungen. Bemessungsansätze für unverstärkte Kunststoffe unter ruhender, kombinierter und schwingender Belastung. Stabilität und Bruchmechanik. Processing. Zusammensetzung von FVWS. Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoffen. Verarbeitung und Bemessung von FVWS: Kontinuums- und Netztheorie, Stabilität und Langzeitverhalten.
LernzielVermitteln der Grundlagen bezüglich Ingenieurbemessung mit unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen (FVWS) für tragende Anwendungen. Parallel zu der Präsentation der Grundlagen werden viele praktische Anwendungen behandelt.
151-0332-00LInterdisciplinary Product Development: Definition, Realisation and Validation of Product Concepts Belegung eingeschränkt - Details anzeigen
Number of participants limited to: 5 (ETHZ) + 20 (ZHdK)

To apply for the course please create a pdf of 2+ Pages describing yourself and your motivation for the course as well as one or more of your former development projects. Please add minimum one picture and your CV as well, send the pdf to martin.schuetz@mavt.ethz.ch.
W4 KP2G + 4AM. Schütz
KurzbeschreibungThis course is offered by the Design and Technology Lab Zurich, a platform where students from the disciplines industrial design (ZHdK) and mechanical engineering (ETH) can learn, meet and perform projects together. In interdisciplinary teams the students develop a product by applying methods used in the different disciplines within the early stages of product development.
LernzielThis interdisciplinary course has the following learning objectives:
- to learn and apply methods of the early stages of product development from both fields: mechanical engineering and industrial design
- to use iterative and prototyping-based development (different types of prototypes and test scenarios)
- to run through a development process from product definition to final prototype and understand the mechanisms behind it
- to experience collaboration with the other discipline and learn how to approach and deal with any appearing challenge
- to understand and experience consequences which may result of decision taken within the development process
InhaltAt the end of the course each team should present an innovative product concept which convinces from both, the technical as well as the design perspective. The product concept should be presented as functioning prototype.

The learning objectives will be reached with the following repeating cycle:
1) input lectures
The relevant theoretical basics will be taught in short lectures by different lecturers from both disciplines, mechanical engineering an industrial design. The focus is laid on methods, processes and principles of product development.
2) team development
The students work on their projects individually and apply the taught methods. At the same time, they will be coached and supported by mentors to pass through the product development process successfully.
3) presentation
Important milestones are presented and discussed during the course, thus allowing teams to learn from each other.
4) reflection
The students deepen their understanding of the new knowledge and learn from failures. This is especially important if different disciplines work together and use methods from both fields.
SkriptHands out after input lectures
Voraussetzungen / BesonderesNumber of participants limited to: 5 (ETHZ) + 20 (ZHdK)

To apply for the course please create a pdf of 2+ Pages describing yourself and your motivation for the course as well as one or more of your former development projects. Please add minimum one picture and Your CV as well, send the pdf to martin.schuetz@mavt.ethz.ch.
151-0366-00LAircraft Structures Information W4 KP2V + 1UP. Ermanni
KurzbeschreibungThis course deals with the structural design, stress analysis and sizing of aircraft structures. The course, which is building-up on fundamental knowledge in mechanics and lightweight structures, also includes tutorials, discussion of practical cases and lab demonstrations. The complementary exercises include hand calculations and the usage of finite element tools.
LernzielDevelop the necessary skills to identify and solve typical engineering problems related to structural design, stress analysis and sizing of aircraft structures, such as wings and fuselage sections and their subcomponents. Familiarize yourself with the typical loads within aircraft structures and with the function of the different structural elements found in fuselages and wings.
InhaltThe course is addressing the following topics:

- Introduction
- Aircraft loads and aircraft design
- Materials and allowables in aircraft structures
- Wing and empennage structures: Design and Modelling aspects, Multi-Cell Design, ribs, cutouts, and shear lag
- Plane stress elements and load introduction
- Fuselage structures: Design and modelling aspects, buckling strength, design and analysis of fuselage frames
- Diagonal semi-tension field design
- Static and buckling analysis of cylindrical shells

Laboratory demonstrations:
- Structural test of a vertical empennage
- Stress concentration in panels with cutouts
- Buckling of cylindrical shells
SkriptLecture notes, handouts, exercises, and the script are available for download in a digital format. The lecture materials can be found via the lecture webpage (http://www.structures.ethz.ch/education/master/master/aircraftstructures.html) or directly via the moodle page (https://moodle-app2.let.ethz.ch/course/view.php?id=14585).
Voraussetzungen / BesonderesAttendance at Bachelor course "Leichtbau" (Lightweight Construction) or equivalent is recommended. Previous knowledge of buckling, profile failure, shear flow, and calculation of semi monocoques is required.
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 / BesonderesBasic knowledge in continuum mechanics is recommended.
151-0515-00LContinuum Mechanics 2W4 KP2V + 1UE. Mazza, R. Hopf
KurzbeschreibungAn introduction to finite deformation continuum mechanics and nonlinear material behavior. Coverage of basic tensor- manipulations and calculus, descriptions of kinematics, and balance laws . Discussion of invariance principles and mechanical response functions for elastic materials.
LernzielTo provide a modern introduction to the foundations of continuum mechanics and prepare students for further studies in solid
mechanics and related disciplines.
Inhalt1. Tensors: algebra, linear operators
2. Tensors: calculus
3. Kinematics: motion, gradient, polar decomposition
4. Kinematics: strain
5. Kinematics: rates
6. Global Balance: mass, momentum
7. Stress: Cauchy's theorem
8. Stress: alternative measures
9. Invariance: observer
10. Material Response: elasticity
SkriptNone.
LiteraturRecommended texts:
(1) Nonlinear solid mechanics, G.A. Holzapfel (2000).
(2) An introduction to continuum mechanics, M.B. Rubin (2003).
151-0516-00LNicht-glatte Dynamik
Diese Lerneinheit wird zum letzten Mal im FS21 angeboten.
W5 KP5GC. Glocker
KurzbeschreibungUngleichungsprobleme in der Dynamik, speziell Reib- und Stoßprobleme mit Geschwindigkeits- und Beschleunigungssprüngen. Modellierung von einseitigen Kontakten, Reibung, Freiläufen, vorgespannten Federn. Formulierung über mengenwertige Funktionen als lineare Komplementaritätsprobleme. Numerische Zeitintegration des kombinierten Reib-Stoss-Kontaktproblems.
LernzielDie Vorlesung vermittelt den Studierenden einen Einstieg in die moderne Behandlung von Ungleichungsproblemen in der Dynamik. Der Vorlesungsstoff ist speziell auf reibungsbehaftete Kontakte in der Mechanik zugeschnitten, läßt sich aber strukturell auf eine große Klasse von Ungleichungsproblemen in den technischen Wissenschaften übertragen. Ziel der Veranstaltung ist es, die Studierenden mit einer konsistenten Erweiterung der klassischen Mechanik auf Systeme mit Unstetigkeiten vertraut zu machen, und den Umgang mit Ungleichungen in der Form von mengenwertigen Stoffgesetzen zu erlernen.
Inhalt1. Kinematik: Drehung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, virtuelle Verschiebung.
2. Aufbau der Mechanik: Definition der Kraft, virtuelle Arbeit, innere und äussere Kräfte, Wechselwirkungsprinzip, Erstarrungsprinzip, mathematische Form des Freischneidens, Definition der idealen Bindung.
3. Starre Körper: Variationelle Form der Gleichgewichtsbedingungen, Systeme starrer Körper, Übergang auf Minimalkoordinaten.
4. Einfache generalisierte Kräfte: Generalisierte Kraftrichtungen, Kinematik der Kraftelemente, Kraftgesetze, Parallel- und Reihenschaltung.
5. Darstellung mengenwertiger Kraftgesetze: Normalkegel, proximale Punkte, exakte Regularisierung. Anwendung auf einseitige Kontakte und Coulomb-Reibgesetze.
6. Stossfreie und stossbehaftete Bewegung: Bewegungsgleichung, Stossgleichung, Newton-Stossgesetze, Diskussion von Mehrfachstössen, Kane's Paradoxon.
7. Numerische Behandlung: Lineares Komplementaritätsproblem (LCP), Zeitdiskretisierung nach Moreau, Kontaktproblem in lokalen Koordinaten als LCP.
SkriptEs gibt kein Vorlesungsskript. Den Studierenden wird empfohlen, eine eigene Mitschrift der Vorlesung anzufertigen. Ein Katalog mit Übungsaufgaben und den zugehörigen Musterlösungen wird ausgegeben.
Voraussetzungen / BesonderesKinematik und Statik & Dynamics
151-0518-00LComputational Mechanics I: Intro to FEAW4 KP4GD. Kochmann
KurzbeschreibungNumerical methods and techniques for solving initial boundary value problems in solid mechanics (heat conduction, static and dynamic mechanics problems of solids and structures). Finite difference methods, indirect and direct techniques, variational methods, finite element (FE) method, FE analysis in small strains for applications in structural mechanics and solid mechanics.
LernzielTo understand the concepts and application of numerical techniques for the solution of initial boundary value problems in solid and structural mechanics, particularly including the finite element method for static and dynamic problems.
Inhalt1. Introduction, direct and indirect numerical methods. 2. Finite differences, stability analysis. 3. Variational methods. 4. Finite element method. 5. Structural elements (bars and beams). 6. 2D and 3D solid elements (isoparametric and simplicial elements), numerical quadrature. 7. Assembly, solvers, finite element technology. 8. Dynamics, vibrations. 9. Selected topics in finite element analysis.
SkriptLecture notes will be provided. Students are strongly encouraged to take their own notes during class.
LiteraturNo textbook required; relevant reference material will be suggested.
Voraussetzungen / BesonderesMechanics 1 & 2 and Dynamics.
151-0520-00LMultiscale ModelingW4 KP3GD. Kochmann
KurzbeschreibungTheoretical foundations and numerical applications of multiscale modeling in solid mechanics, from atomistics all the way up to the macroscopic continuum scale with a focus on scale-bridging methods (including the theory of homogenization, computational homogenization techniques, modeling by methods of atomistics, coarse-grained atomistics, mesoscale models, multiscale constitutive modeling).
LernzielTo acquire the theoretical background and practical experience required to develop and use theoretical-computational tools that bridge across scales in the multiscale modeling of solids.
InhaltMicrostructure and unit cells, theory of homogenization, computational homogenization by the finite element method and Fourier-based techniques, discrete-to-continuum coupling methods, atomistics and molecular dynamics, coarse-grained atomistics for crystalline solids, quasicontinuum techniques, analytical upscaling methods and models, multiscale constitutive modeling, selected topics of multiscale modeling.
SkriptLecture notes and relevant reading materials will be provided.
LiteraturNo textbook is required. Reference reading materials are suggested.
Voraussetzungen / BesonderesContinuum Mechanics I or II and Computational Mechanics I or II (or equivalent).
151-0522-00LCase Studies in Computer Aided Engineering - Applied FEMW4 KP3GD. Valtorta
KurzbeschreibungThis is a modeling and simulation engineering class. The course shows how Simulation with the Finite Element Method proves itself to be an useful tool in engineering problems to solve challenging and complex tasks and to deal with the physics of analyzed systems.
LernzielThe aim of the course is to introduce students to the simulation-based engineering design with CAE methods. Different case studies demonstrating the application of CAE in different engineering disciplines will be disclosed with the contribution of experts and examples from industries and research institutions. Class will focus on engineering approach to be used to analyze challenging problems. It will then address problem idealization throughout modeling techniques, to be worked out by state of the art simulation selected from industries case studies. Validation of simulation models compared to evidence from experimental method will then be discussed.
InhaltDifferent case studies demonstrating the application of CAE methods in a variety of engineering disciplines will be presented. Application of CAE methods will be mainly focused on structural mechanics area. However an overview of possible applications involving fluid dynamics and electromagnetics will provide students with a complete scenario of multiphysics simulations. Students shall choose 2 different subjects among the case studies presented, practice the engineering workflow and solve complex problems by building simplified simulation models, using FEA software. The results of their investigations will be summarized in a technical report and a short presentation, which will then be discussed during oral examination
SkriptLecture notes will be shared with students on Moodle throughout the semester.
LiteraturNo textbook required. Theory books will be recommended in each lecture for selected topics.
Voraussetzungen / BesonderesFE Toolkurs recommended, but not mandatory.
151-0528-00LTheory of Phase TransitionsW4 KP3GL. Guin, D. Kochmann
KurzbeschreibungThis course addresses two major examples of phase transitions, namely solid-solid phase transformations and solidification. We focus on the modeling of the propagation of phase boundaries (surface of strain discontinuity or solidification front) in continuum media. Both the sharp-interface model and related numerical modeling techniques based on the phase-field method are introduced.
LernzielThe students are able to:
- Use mechanical and/or thermodynamic balance laws to formulate a continuum model for problems involving phase transformations in 1D, 2D, and 3D.
- Distinguish between the different modeling techniques used for the propagation of phase boundaries and discuss their underlying assumptions.
- Apply the concepts of thermodynamics to continuous media in order to derive thermodynamically consistent models.
- Model the evolution of a solidification front using the phase-field method.
Inhalt1. Mechanics of bars
2. The Ericksen’s bar problem: solid-solid phase transformation in 1D
3. Review of classical thermodynamics
4. Continuum theory for phase boundaries in 3D
5. Solidification: a free-boundary problem with interfacial structure
6. Phase-field model for solidification
7. Selected topics involving phase transitions
SkriptLecture notes will be provided for reference. Students are strongly encouraged to take their own notes during class.
LiteraturNo textbook required; relevant reference material will be suggested.
Voraussetzungen / BesonderesContinuum Mechanics I. Having taken or taking Continuum Mechanics II in parallel would be helpful.
151-0530-00LNonlinear Dynamics and Chaos IIW4 KP4GG. Haller
KurzbeschreibungThe internal structure of chaos; Hamiltonian dynamical systems; Normally hyperbolic invariant manifolds; Geometric singular perturbation theory; Finite-time dynamical systems
LernzielThe course introduces the student to advanced, comtemporary concepts of nonlinear dynamical systems analysis.
InhaltI. The internal structure of chaos: symbolic dynamics, Bernoulli shift map, sub-shifts of finite type; chaos is numerical iterations.

II.Hamiltonian dynamical systems: conservation and recurrence, stability of fixed points, integrable systems, invariant tori, Liouville-Arnold-Jost Theorem, KAM theory.

III. Normally hyperbolic invariant manifolds: Crash course on differentiable manifolds, existence, persistence, and smoothness, applications.
IV. Geometric singular perturbation theory: slow manifolds and their stability, physical examples. V. Finite-time dynamical system; detecting Invariant manifolds and coherent structures in finite-time flows
SkriptStudents have to prepare their own lecture notes
LiteraturBooks will be recommended in class
Voraussetzungen / BesonderesNonlinear Dynamics I (151-0532-00) or equivalent
151-0534-00LAdvanced DynamicsW4 KP3V + 1UP. Tiso
KurzbeschreibungLagrangian dynamics - Principle of virtual work and virtual power - holonomic and non holonomic contraints - 3D rigid body dynamics - equilibrium - linearization - stability - vibrations - frequency response
LernzielThis course provides the students of mechanical engineering with fundamental analytical mechanics for the study of complex mechanical systems .We introduce the powerful techniques of principle of virtual work and virtual power to systematically write the equation of motion of arbitrary systems subjected to holonomic and non-holonomic constraints. The linearisation around equilibrium states is then presented, together with the concept of linearised stability. Linearized models allow the study of small amplitude vibrations for unforced and forced systems. For this, we introduce the concept of vibration modes and frequencies, modal superposition and modal truncation. The case of the vibration of light damped systems is discussed. The kinematics and dynamics of 3D rigid bodies is also extensively treated.
SkriptLecture notes are produced in class and are downloadable right after each lecture.
LiteraturThe students will prepare their own notes. A copy of the lecture notes will be available.
Voraussetzungen / BesonderesMechanics III or equivalent; Analysis I-II, or equivalent; Linear Algebra I-II, or equivalent.
151-0540-00LExperimentelle MechanikW4 KP2V + 1UJ. Dual, T. Brack
Kurzbeschreibung1. Allgemeines: Messkette, Frequenzgang, Schwingungen und Wellen in kontinuierlichen Systemen, Modalanalyse, Statistik, Digitale Signalanalyse, Phasenregelkreis 2. Optische Methoden 3. Piezoelektrizität 4. Elektromagnetische Erzeugung und Messung von Schwingungen und Wellen 5. Kapazitive Messaufnehmer
LernzielVerständnis, quantitative Modellierung und praktische Anwendung von experimentellen Methoden zur Erzeugung und Messung von mechanischen Grössen (Bewegung, Deformation, Spannungen)
Inhalt1. Allgemeines: Messkette, Frequenzgang, Frequenzgangmessung, Schwingungen und Wellen in kontinuierlichen Systemen, Modalanalyse, Statistik, Digitale Signalanalyse, Phasenregelkreis 2. Optische Methoden (Akustooptische Modulation, Interferometrie, Holographie, Spannungsoptik, Schattenoptik, Moiré Methoden) 3. Piezoelektrische Materialien: Grundgleichungen, Anwendungen Beschleunigungsaufnehmer, Verschiebungsmessung) 4. Elektromagnetische Erzeugung und Messung von Schwingungen und Wellen 5. Kapazitive Messaufnehmer, Praktika und Uebungen
Skriptja
Voraussetzungen / BesonderesVoraussetzungen: Mechanik I bis III, Physik, Elektrotechnik
151-0544-00LMetal Additive Manufacturing - Mechanical Integrity and Numerical Analysis
Findet dieses Semester nicht statt.
W4 KP3G
KurzbeschreibungAn introduction to Metal Additive Manufacturing (MAM) (e.g. different techniques, the metallurgy of common alloy-systems, existing challenges) will be given. The focus of the lecture will be on the employment of different simulation approaches to address MAM challenges and to enable exploiting the full advantage of MAM for the manufacture of structures with desired property and functionality.
LernzielThe main objectives of this lecture are:
- Acknowledging the possibilities and challenges for MAM (with a particular focus on mechanical integrity aspects),
- Understanding the importance of material science and metallurgical considerations in MAM,
- Appreciating the importance of thermal, fluid, mechanical and microstructural simulations for efficient use of MAM technology,
- Using different commercial analysis tools (COMSOL, ANSYS, ABAQUS) for simulation of the MAM process.
InhaltPreliminary lecture schedule:
- Introduction to MAM (concept, application examples, pros & cons),
- 2x Powder-bed and powder-blown metal additive manufacturing,
- Thermo-fluid analysis of additive manufacturing,
- Continuum-based thermal modelling and experimental validation techniques,
- Residual stress and distortion simulation and verification methods,
- 2x Microstructural simulation (basics, analytical, kinetic Monte Carlo, cellular automata, phase-field),
- Mechanical property prediction for MAM,
- 3x Microstructure and mechanical response of MAM material (steels, Ti6Al4V, Inconel, Al alloys),
- Design for additive manufacturing
- Artificial intelligence for AM
Exercise sessions use COMSOL, ANSYS, ABAQUS packages for analysis of MAM process. Detailed video-instructions will be provided to enable students setting up their own simulations. COMSOL, ANSYS and ABAQUS agreed to support the course by providing licenses for the course attendees and therefore the students can install the packages on their own systems.
SkriptHandouts of the presented slides.
LiteraturNo textbook is available for the course (unfortunately), since it is a dynamic and relatively new topic. In addition to the material presented in the course slides, suggestions/recommendations for additional literature/publications will be given (for each individual topic).
Voraussetzungen / BesonderesA basic knowledge of mechanical analysis, metallurgy, thermodynamics is recommended.
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