Allgemeines zu Simulationen

Die Motivation zur Durchführung von Simulationen kann sehr vielfältig sein. Eine Simulation kann z.B. mit folgenden Zielen durchgeführt werden:

• Vorhersage, wann ein Bauteil unter vorgegebenen Belastungen versagen wird,

• Definition einer optimalen Variante eines Prototyps,

• besseres Verständnis der Vorgänge z.B. bei unüberschaubaren, komplexen Fluid-Struktur-Interaktionen

Simulationen können überall dort sinnvoll eingesetzt werden, wo ein Prozess auf eindeutig physikalische Grundvorgänge zurückgeführt und somit mit physikalischen Grundgleichungen wie Kräftegleichgewichten, Strömungsgleichungen oder Wärmetransportansätzen gelöst werden kann. Unsere Aufgabe besteht darin, Ihr physikalisches Problem in ein mathematisches Modell zu übertragen, dieses Modell zu berechnen und die Ergebnisse entsprechend zu validieren und zu präsentieren. 

Zur Lösung der Kräftegleichgewichte oder Strömungsgleichungen werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. Am weitesten verbreitet ist die Finite-Element-Methode, da sie generell für viele Problemfelder eingesetzt werden kann. Die Vorgehensweise lässt sich folgendermaßen beschreiben:

Es wird ein Geometriemodell (z.B. ein CAD-Modell) des Bereichs erstellt, für dessen Simulation Interesse besteht. Dies kann z.B. ein Bauteil oder auch ein Raum sein, der von einem Fluid durchströmt wird. Dieses Gebiet wird diskretisiert, d.h. es wird in kleine Elemente unterteilt (Vernetzung), die eine gewisse Anzahl von Knoten aufweisen. Die Knoten übernehmen die Funktion der Stützstellen, an denen das System ausgewertet wird. Bei Strukturberechnungen werden an den Stellen, an denen ein Bauteil gelagert ist oder Belastungen aufgebracht werden, entsprechende Randbedingungen (Kräfte oder Verschiebungen) definiert. Gleiches gilt für Strömungen an den Stellen, an denen Geschwindigkeiten (z.B. an Wänden bzw. im Einlass) oder der Druck bekannt ist. Dann wird das System mit der ausgewählten Methode (z.B. den Finiten Elementen) berechnet. Als Ergebnis werden bei der Bauteilsimulation die Spannungen und Verschiebungen für alle Knoten, bzw. Elemente ausgegeben, bei Strömungen erhält man in der Regel das Geschwindigkeits- und Druckfeld als Ergebnis.

Der Aufwand für die Berechnung und Modellierung hängt sehr stark von der Größe des Modells und der Komplexität der zu analysierenden Konfiguration ab:

• Zweidimensionale Berechnungen, wie sie z.B. rotationssymmetrischen Bauteilen auftreten, sind deutlich einfacher und schneller durchführbar als dreidimensionale.

• Berechnungen mit nichtlinearen, nahezu inkompressiblen Materialien (z.B. Gummi) mit starken Dehnungen sind vergleichsweise aufwendig. 

• Komplexe turbulente Mehrphasenströmungen mit Verbrennungen sind z.B.  deutlich aufwendiger als einphasige Strömungen.