Simulationsmethoden – komplexe Prozesse zeitsparend abbilden
Ob im Automotive-Bereich oder in der Produktion: Simulationen und Digitale
Zwillinge sind für viele Unternehmen unverzichtbar. Weil hochdynamische
Prozesse mit herkömmlicher Software oft nicht zufriedenstellend abgebildet
werden können, haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Techno- und
Wirtschaftsmathematik ITWM mit dem Tool MESHFREE eine Lösung entwickelt,
die ohne starres Rechengitter arbeitet und in der Lage ist, komplexe
Abläufe mit großer Zeitersparnis und damit kostengünstig zu simulieren.
Dafür wurden sie mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 ausgezeichnet.
Starre Vorgaben passen selten zu agilen Prozessen – was für Organisationen
zutrifft, gilt auch für Simulationsmethoden. Sollen komplexe Vorgänge wie
zum Beispiel Aquaplaning oder die Zerspanung von Metall virtuell
abgebildet werden, lassen sich vorab nicht alle Bewegungen der Komponenten
vorhersehen und in einem passenden Rechengitter, wie es für Simulationen
üblicherweise verwendet wird, anlegen.
MESHFREE ersetzt den realen Versuch
Vor dieser Herausforderung stand vor über 20 Jahren eine Forschungsgruppe
am Fraunhofer ITWM. »Unsere allererste Aufgabe im Projektteam bestand
darin, die Entfaltung eines Airbags während des Fahrzeug-Crashs zu
simulieren«, berichtet Dr. Jörg Kuhnert, bereits damals Teil der Gruppe.
»Bis auf real durchgeführte, kostenintensive Crashtests gab es damals
keine Möglichkeit, die Sicherheit von Neuentwicklungen in diesem Bereich
schnell zu überprüfen.« Denn: Je mehr Objekte sich in einer Situation
bewegen und miteinander interagieren, desto schwieriger ist es, sie unter
vertretbarem Aufwand mit klassischen Simulationsmethoden zuverlässig
abzubilden.
Basierend auf der Dissertation von Jörg Kuhnert entwickelte das Team –
seit 2012 auch unter Mitarbeit von Dr. Isabel Michel im Schwerpunkt
Freistrahlturbinen – daher den innovativen gitterfreien Ansatz. Dieser
ermöglicht es teilweise erstmals, besonders komplexe und dynamische
Situationen in der Simulation zu zeigen. Sämtliche seither erzielten
Forschungsergebnisse flossen in das Software-Tool MESHFREE ein. Das
Resultat ist ein Simulations-Tool mit einem echten Alleinstellungsmerkmal:
Weltweit macht kein anderes Simulationswerkzeug die Generalisierte Finite-
Differenzen-Methode (GFDM) industriell nutzbar.
Flexible Methode für dynamische Prozesse
Klassischerweise kommt bei Simulationen die Finite-Elemente-Methode zum
Einsatz: Ingenieurinnen und Ingenieure konstruieren dafür ein Gitternetz
passend für die jeweilige Geometrie und berechnen darauf aufbauend die
Veränderungen in jedem einzelnen Element. Bereits das Aufsetzen der
Gitterstruktur ist sehr zeitaufwändig; auch während der Simulation muss
sie immer wieder angepasst werden. Die Software MESHFREE kombiniert
dagegen die Generalisierte Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der
Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie mit effizienten
Algorithmen zur Lösung linearer Gleichungssysteme, die vom Fraunhofer-
Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI mitentwickelt
wurden – ein gewaltiger Vorteil, denn die verwendete numerische
Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien
anzupassen. Aufwändige Nachkorrekturen im Rechengitter entfallen. Für ihre
Entwicklung, die reale Versuche ersetzen kann, erhielten Dr. Jörg Kuhnert
und Dr. Isabel Michel den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024.
Von Automotive bis Verfahrenstechnik – und darüber hinaus
Die ausgezeichnete Methodik lässt sich für eine große Bandbreite von
Anwendungen einsetzen. Ein Schwerpunkt liegt aktuell im Automotive-
Bereich: Neben der Airbag-Simulation konnten die Forschenden ihre
Industriepartner bislang unter anderem mit Modellierungen von
Wasserdurchfahrten oder des Verhaltens von Fahrzeugen auf Sand oder Kies
unterstützen. In der Verfahrenstechnik half MESHFREE Unternehmen dabei,
die Prozessparameter bei der Verarbeitung von Glasschmelze sowie der
Herstellung von Kunststoffteilen zu optimieren.
Grundsätzlich lässt sich die Methode überall dort nutzen, wo Messungen
oder Versuche ersetzt werden sollen oder nur schlecht bis gar nicht
funktionieren. Isabel Michel fasst zusammen: »Wir sind nicht fixiert auf
die klassischen Anwendungsfälle der numerischen Strömungsmechanik.
MESHFREE kann viel mehr: Das Tool ist bewusst generisch gehalten.« Die
Software besitzt also großes Potenzial, in Zukunft noch in vielen weiteren
Anwendungsfeldern Kosten, Zeit und Material zu sparen.
Joseph-von-Fraunhofer-Preis
Seit 1978 verleiht die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich den Joseph-von-
Fraunhofer-Preis für herausragende wissenschaftliche Leistungen zur Lösung
anwendungsnaher Probleme an ihre Mitarbeitenden. In diesem Jahr wurden
drei Preise mit jeweils 50 000 Euro an Gruppen mit Forschenden aus
unterschiedlichen Instituten vergeben.
