Timo Wächtler, Dr. Walter Arne, Dr. Raimund Wegener, Dr. Dietmar Hietel, Pratik Suchde, Dr. Isabel Ostermann, Dr. Norbert Siedow, Dr.

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1 Timo Wächtler, Dr. Walter Are, Dr. Raimud Wegeer, Dr. Dietmar Hietel, Pratik Suchde, Dr. Isabel Osterma, Dr. Norbert Siedow, Dr. Simoe Gramsch, Dr. Jörg Kuhert, Adre Schmeißer, Tobias Seifarth, Dr. Jevgeij Jegorov, Jaroslaw Wlazlo, Dr. Christia Leithäuser, Dr. Robert Feßler, Simo Schröder, Dr. Ja Mohrig, Thomas Cibis, Dr. Jalo Liljo, Johaes Schebele 24

2 TRANSPORTVORGÄNGE flexible Strukture Modellierug ud umerische Simulatio flexibler Strukture, isbesodere Fäde, i turbulete Strömuge Strömug Strömugsdyamik ud -optimierug sowie Fluid-Struktur-Koppluge Gitterfreie Methode Fiite Poitset Methode für Simulatioe strömugs- ud kotiuumsmechaischer Problemstelluge optik, Strahlug, Wärme Berechug vo Freiformlise, Strahlugstrasport, Diffusio Modellreduktio Überführug großer Fiite-Elemete-Modelle i parametrische reduzierte Zustadsraummodelle 25

3 D r. R a i m u d W egeer Abteilugsleiter Kerkompetez der Abteilug Trasportvorgäge ist die mathematische Modellierug komplexer idustrieller Problemstelluge ud die Etwicklug effizieter Algorithme zu ihrer umerische Lösug (Simulatio). Die bearbeitete Problemstelluge sid im techisch-aturwisseschaftliche Kotext (Strömugsdyamik, Strahlugstrasport, Optik, Akustik, Strukturmechaik etc.) agesiedelt ud führe aus mathematischer Sicht auf partielle Differetialgleichuge, die meist als Trasportgleichuge zu charakterisiere sid. Aus Sicht der idustrielle Kude geht es typischerweise um die Optimierug vo Produkte ud die techische Auslegug vo Produktiosprozesse. Das Agebotsspektrum der Abteilug umfasst Kooperatiosprojekte mit de igeieurwisseschaftlich ausgerichtete FuE-Abteiluge der Parterfirme, Studie mit Auslegugs- ud Optimierugsvorschläge, Kozeptetwickluge sowie Softwarelösuge vom Baustei bis zum komplette Tool. Das Jahr 203 verlief für die Abteilug wirtschaftlich im Bereich der Auftragsforschug erfolgreich. Der Bereich der öffetliche Projekte ist aktuell durch eie starke Umbruch gekezeichet, i dem zahlreiche Projekte erfolgreich beedet wurde. Diese schaffe eie gute Grudlage für die Auftragsforschug der ächste Jahre. Trotzdem steht die Abteilug jetzt vor der zetrale Herausforderug, auch im öffetliche Bereich eue Projekte, Theme ud Aschlussfiazieruge zu geeriere. I de vergagee Jahre hat das Thema Softwareetwicklug i der Abteilug zuehmed a Bedeutug gewoe. Im Resultat stehe jetzt i alle Themefelder spezifische Software tools zur Verfügug, i dee sich das Kompetezspektrum widerspiegelt. Wir stelle daher i diesem Jahresbericht drei solcher Werkzeuge vor: FIDYST (Fiber Dyamics Simulatio Tool) demostriert als Simulator vo Filametdyamike i turbulete Strömuge die Kompeteze der Bereiche»Strömug«ud»Flexible Strukture«Mit FPM (Fiite Poitset Methode) etwickelt die Gruppe»Gitterfreie Methode«eie eigee gitterfreie Löser für ei breites Feld kotiuumsmechaischer Problemstelluge. Die Fortschritte im Bereich der»modellreduktio«dokumetiere sich i der MATLAB-Toolbox MRT; darüber hiaus wurde bereits im letzte Jahresbericht LODTa (Light Optimal Distributio Tool), ei auf eue algorithmische Idee zum Beam-Shapig beruhedes Softwaretool für die Auslegug vo Freiformfläche, vorgestellt. 26

4 FIDYST Fiber Dyamics Simulatio Tool Das Simulatiostool FIDYST ist eie hocheffiziete Software zur Simulatio vo elastische Fila- Simulatio vo Stapel mete oder Faser i turbulete Strömuge. Aufbaued auf der Theorie der sogeate faser Cosserat-Rods modelliert FIDYST i großer Allgemeiheit die Dyamik vo elastische, liieförmige Objekte. Daher gibt es ei breites Spektrum vo Eisatzgebiete für dieses Software tool, besodere Bedeutug hat FIDYST jedoch im Bereich des textile Maschiebaus ud der Produktio vo techische Textilie erlagt. Im Bereich des textile Maschiebaus wurde FIDYST bereits mehrfach vo Idustrieparter zur Auslegug ihrer Maschie bei der Produktio vo Spivliesstoffe erfolgreich eigesetzt; typisch i diesem Bereich sid die sogeate Spubod- ud Meltblow-Verfahre. Dabei utzte die Idustrieparter die Simulatioe der Fadedyamik gezielt dazu, die Geometrie der Alage zu optimiere, um eie verbesserte Qualität der Vliesstoffe zu erziele. Dies gelag de Idustriefirme isbesodere durch Aalyse des Kotaktes vo Fäde mit Maschiebauteile, eier eue Fuktioalität, die erst Afag 203 auf Basis eier laufede Promotio i FIDYST itegriert wurde. Auch ei Produzet vo Vliesstoffe profitierte bereits erheblich vom Eisatz der Software FIDYST. Der Vliesstoffhersteller etwickelte auf Basis vo Simulatiosstudie mit FIDYST ei eues Produkt, das bei gleichbleibeder Produktqualität weiger Eisatz vo Rohmaterial erfordert. Der Ker der Software ist i C++ implemetiert, die grafische Beutzeroberfläche ist mit Hilfe der Klassebibliothek Qt realisiert. Vervollstädigt wird die Software mit Bibliotheke zum Import vo Strömugsdate ud eiem Viewer, der sowohl die Strömugsdate als auch die Simulatiosergebisse der Fadedyamik visualisiert. Die Strömugsdate werde im ESight Gold Case-Format importiert, so dass FIDYST uabhägig vom verwedete Strömugssolver ist. Dabei werde automatisch Geometrieteile detektiert ud für die Simulatio der Fade-WadKotakte aufbereitet. FIDYST ka dabei auch trasiete Strömugsdate verarbeite, so dass auch der Kotakt vo Fäde mit bewegliche Maschiebauteile simuliert werde ka. Zur Eigabe der Materialdate der Fäde bietet FIDYST eie Beutzeroberfläche mit kotextsesitive Hilfe, über die auch weitere Modellparameter gesteuert werde köe. Da das ESight Gold Case-Format auch für de Export der Fadedyamike geutzt wird, köe die Simulatiosergebisse da aschließed i Stadardwerkzeuge zur Visualisierug oder Dateaalyse weiterverarbeitet werde. 27

5 Volkswage 2 FPM Fiite Poitset Methode Experimet Wasser- Die FPM ist eie origiäre Etwicklug des Frauhofer ITWM. Sie stellt eie gitterfreie ume durchfahrt rische Asatz zur Modellierug vo Probleme im Bereich der Strömugs- ud Kotiuumsmechaik dar. Die geometrische Basis ist eie Wolke umerischer Pukte, die relevate physi- 2 FPM-Simulatio Wasser- kalische ud geometrische Iformatioe trage. Es werde die Erhaltugsgleichuge für durchfahrt Masse, Impuls ud Eergie auf jedem eizele Pukt abgebildet, wobei FPM sich sogeater differetieller Operatore bediet, die partielle Ableituge der abgebildete Differetialgleichuge approximiere. Diese Operatore etstehe auf der Basis vo Least-squares-Verfahre bzw. auf der Basis liearer Optimierug. Im Gegesatz zu Fiite Elemete oder Fiite Volume beruht die Methode icht auf eier schwache Formulierug. Ma ka FPM als geeralisierte Fiite-Differeze-Asatz betrachte. Das brigt weitreichede Vorteile beim Eibide euer Materialgesetze oder euer physikalischer Modellierugskozepte. Die Partikel der Puktewolke bewege sich mit der Geschwidigkeit des Kotiuums (Lagrage-Charakter). Eifache Trasportaufgabe werde problemlos durch die Puktebewegug abgebildet. Der Lagrage-Asatz ermöglicht eie sehr eifache Behadlug vo Phasegreze, freie Oberfläche bzw. bewegte Teile der Geometrie. FPM wird seit dem Jahr 2000 am ITWM für idustrielle Aweduge etwickelt. Die erste Awedug war dabei der Eisatz als Gasdyamiksolver für Airbag-Etfaltug bei der Crash simulatio. Hier besteht bis heute eie Kooperatio mit ESI-Group, eiem der führede Abieter vo Crash-Software. Gleichzeitig wurde a der Etwicklug eies ikompressible bzw. schwach kompressible FPM-Lösers gearbeitet. Erste Aweduge gab es im Bereich Fülle ud Schwappe a Takalage im Automobilbereich. Hier besteht eie traditioelle Kooperatio mit der Volkswage AG. Aber auch Aweduge im Bereich Glasformgebug (Kooperatio mit Schott, Nogrid) hatte i diesem frühe Stadium der FPM-Etwicklug bereits idustrielles Niveau erreicht. Heute deckt FPM ei sehr großes Spektrum physikalischer Vorgäge ab. Nebe Aweduge aus der klassische Strömugsmechaik kozetriere wir us auch auf ichtklassische Aspekte, z. B. elastoplastische Vorgäge (Spabildug bei der Metallbearbeitug), oder viskoelastische Phäomee (Spiprozesse vo Faser). Im Bereich Bodemechaik versuche wir, eue hochgradig ichtlieare Materialmodelle i die Lösugsmethodik eizuarbeite. Mit der Modellierug vo Populatiosbilaze decke wir de Bereich disperser Phase ab ud koppel diese mit klassische kotiuierliche Phase. 28

6 . Resoazfrequeze der Rechteckplatte FE-Paket Import Variatio Frauhofer ModellreduktiosToolbox (MRT) 20 Resoazfrequeze [Hz] Modellaufbau (Geometrie, Material ) Freiheitsgrade 25 parametrische Reduktio Export MATLAB Validierug am volle FE-Modell Desigparameter: Rohrläge li. Iterpol. 44 Freiheitsgrade Desigoptimierug richtiges Modell Läge der Platte [mm] Parametrische Modellreduktio mit MRT Bei der Auslegug vo Maschie oder Prozesse beötigt ma sowohl eie itegrierte dya- Verwedug der Modell- mische Simulatio aller Kompoete auf Systemebee als auch eie detaillierte Aalyse, wie reduktios-toolbox die makroskopische Bauteileigeschafte vo Geometrie oder Materialparameter abhäge. Erstere Simulatio basiert üblicherweise auf eier Beschreibug durch Systeme differetialalge- 2 Problem der Eigewert braischer Gleichuge, i der eizele Kompoete durch weiger als hudert Freiheitsgrade überscheidug am Beispiel repräsetiert werde. Software wie MATLAB-Simulik oder Dymola kommt hier zum Eisatz. des Parameters»Seitever- Die detaillierte Aalyse löse higege diskretisierte partielle Differetialgleichuge mit oft hältis eier eigespate mehr als huderttaused Freiheitsgrade pro Kompoete, typischerweise mit FE-Pakete wie Platte«ANSYS oder COMSOL. Modellreduktio verbidet beide Welte, idem die große FE-Modelle i kompakte Systemmodelle mit hireiched gleichem Ei-Ausgabeverhalte überführt werde. Die Frauhofer-Modellreduktios-Toolbox MRT ist u ei Werkzeug, mit dem lieare FE-Modelle ukompliziert vo ANSYS ach MATLAB trasferiert ud dort reduziert, zusammegesetzt, simuliert ud Ergebisse dargestellt werde köe. Isbesodere zeichet sie sich durch die Möglichkeit aus, parametrische reduzierte Modelle erstelle zu köe. Soll ei Desig optimiert werde, da möchte der Nutzer i rascher Folge uterschiedliche Kombiatioe vo Geometrie- oder Materialparameter durchspiele. Müsste er dabei jedesmal wieder das modifizierte reduzierte Modell vo Grud auf aus dem volle FE-Modell ableite, wäre er verlore. Die gewählte Alterative besteht dari, währed eier Offlie-Phase a automatisch ausgewählte Stelle des Parameterraums reduzierte Modelle zu erzeuge ud dere Matrize da olie für eue Parametersätze sehr schell zu iterpoliere. Auf das FE-Werkzeug muss i dieser Phase gar icht mehr zurückgegriffe werde. Die Herausforderuge dieses Asatzes häge damit zusamme, dass die Zustadsraumdarstellug eies dyamische Systems ur bis auf Basis tras formatio eideutig ist. Werde Matrize zu upassede Base iterpoliert, ka das Ergebis beliebig falsch werde. Die Lösugsstrategie basiert auf Normalforme ud Eigewertverfolgug im Parameterraum. Für de Nutzer bleibt dies freilich verborge. Er schreibt lediglich ei gewöhliches APDL-Skript, wählt da über eie Nutzeroberfläche Last- ud Desig-Parameter, Ei- ud Ausgabegröße sowie de Reduktiosgrad ud startet schließlich de asoste automatische Reduktiosprozess. Die Modellreduktios-Toolbox wurde seit umehr acht Jahre i öffetliche Projekte etwickelt ud immer wieder um spezielle Bedürfisse vo Idustriekude erweitert. Prizipiell köe alle lieare FE-Modelle reduziert werde, die eie harmoische Aalyse erlaube