Großskalige Simulation von pneumatischem und hydraulischem Bruch mittels Phasenfeldmethode

Projektdetails

Eine der größten Herausforderungen in der computergestützten Bruchmechanik besteht darin, Rissverläufe und Bruchmuster vorherzusagen und zu verfolgen. Neben den hohen Anforderungen an die Modellierung erfordern die komplexe Struktur und das unregelmäßige Verhalten von Rissen zudem hochentwickelte Techniken zur Netzverfeinerung und Diskretisierung. Beide Aspekte machen die numerische Simulation von Rissproblemen zu einer schwierigen Aufgabe und stellen damit ein großes Hindernis für die Entwicklung effizienter und zuverlässiger Simulationswerkzeuge in der Bruchmechanik dar. Ziel dieses Projekts ist es, dieser Herausforderung durch die Entwicklung eines neuen theoretischen und methodischen Rahmens für die Bruchmechanik zu begegnen, der insbesondere die numerische Simulation großräumiger Probleme auf aktuellen und zukünftigen parallelen Architekturen ermöglicht. Um dieses Ziel zu erreichen, wird der Rahmen auf der Modellierungsseite Phasenfeldmodelle als neuartigen Ansatz zur Darstellung von Rissgrenzflächen nutzen. Auf der Seite der Diskretisierungsmethoden werden wir neue Technologien wie NURBS-basierte Ansatzräume nutzen können. Ein wichtiger Aspekt dieser Diskretisierungsmethoden sind ihre überlegenen Stabilitätseigenschaften im Vergleich zu traditionellen Lagrange-Ansätzen. Insbesondere im Zusammenhang mit großen Verformungen ist dies ein erheblicher Vorteil. Diese Stabilität hat jedoch ihren Preis, da NURBS die konsistente Behandlung größerer Patches erfordern, was Herausforderungen bei der Entwicklung effizienter adaptiver Techniken mit sich bringt.

Hier werden wir mit einer abschnittsweise oder leichtgewichtigen Adaptivität neuere Entwicklungen nutzen, die die Flexibilität traditioneller Verfeinerungstechniken mit einer abschnittweisen Betrachtung der Diskretisierung verbinden und so die Entwicklung effizienter Ansätze für massiv-parallele Architekturen ermöglichen.

Zusätzlich zu dem neuen phasenfeldbasierten Ansatz für die Rissbildung werden wir unser neues Rahmenkonzept erweitern, um Kontakt- und Reibungseffekte entlang der größeren inneren Rissgrenzflächen zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird unser neues Rahmenwerk in der Lage sein, sowohl stark nichtlineare als auch nichtglatte Effekte auf konsistente Weise zu behandeln. Dieses Projekt baut auf komplementärem Fachwissen in den Bereichen Ingenieurwesen, Modellierung, Computerwissenschaft und Hochleistungsrechnen auf, um eine gemeinsame Grundlage für die Entwicklung unkonventioneller Finite-Elemente-Methoden für großräumige Simulationen von variational und thermodynamisch konsistenten multiphysikalischen Phasenfeld-Bruchmodellen unter endlichen Verformungen zu schaffen. Der aus diesem Projekt hervorgehende neue Rahmen wird eine Reihe neuer und nicht standardisierter Berechnungswerkzeuge bereitstellen, die im Rahmen der Simulation von pneumatischem und hydraulischem Fracking entwickelt und getestet werden. Der resultierende Rahmen wird jedoch flexibel gestaltet sein, sodass er auch über das hydraulische Fracking hinaus angewendet werden kann und somit langfristig möglicherweise als Grundlage für eine neue Klasse von Modellierungs- und Simulationswerkzeugen dienen wird.

Gruppe: 

• M.Sc. Carola Bilgen
• Dr. Roger Alexander Müller (Lugano)
• M.Sc. Friedemann Streich (Karlsruhe)
• Prof. Dr. Christian Hesch
• Prof. Dr. Rolf Krause (Lugano)
• Prof. Dr. Kerstin Weinberg

Teilprojekt von: 

SPP 1748: Zuverlässige Simulationstechniken in der Festkörpermechanik – Entwicklung nicht standardisierter Diskretisierungsmethoden, mechanische und mathematische Analyse