FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMIWeiterentwicklung der Methoden für die effiziente Simulation von Fragmentierungsvorgängen
Die Beschreibung der Fragmentierung von Festkörpern stellt ähnlich große Herausforderungen an Modellierung und numerische Simulation wie turbulente Fluidströmungen.
Wird ein Material weit über seine Festigkeitsgrenze belastet, entstehen Risse, die sich ausbreiten, verzweigen und letztendlich – bei entsprechend hoher dynamischer Belastung – auch zu einer vollständigen Fragmentierung führen können. Wie bei einem Trinkglas, das am Boden zerspringt, können die entstehenden Fragmente viele Größenordnungen umfassen: von einigen größeren Bruchstücken bis hin zu feinsten, kaum noch mit dem Auge wahrnehmbaren Splittern.
Fragmentierungsvorgänge treten häufig bei Impakt- und Explosionsereignissen auf. Möchte man sie numerisch simulieren, so müssen neben einer adäquaten Modellierung des Materialverhaltens auch spezielle Methoden verwendet werden, welche die mit dem Rissfortschreiten und der Fragmentierung einhergehende Schaffung neuer Oberflächen als Bruchflächen erfassen können.
Der am EMI entwickelte Strukturdynamikcode SOPHIA bietet dazu ein Verfahren an, das die Vorgänge im Bereich der Bruchzone mittels sogenannter Kohäsivzonenelemente beschreibt. Diese speziellen Elemente erfassen die zunehmende Materialschädigung und erlauben bei vollständiger Schädigung die Schaffung neuer Bruchflächen. Das Besondere dabei ist: Sie werden erst während der Simulation an jenen Stellen im Material eingefügt, an denen die Materialfestigkeit überschritten wird.
Ausgesprochen herausfordernd ist die Fragmentierungsmodellierung in einem homogenen Material, in denen mögliche Rissverläufe nicht von vornherein bekannt sind, sondern scheinbar zufällig entstehen und sich auffächern. In dieser Hinsicht stellt der am EMI entwickelte Kohäsivzonenansatz eine innovative Methode dar, die Rissbildung in einem solchen Material adäquat und physikalisch genau zu modellieren. Die Effizienz und die numerische Stabilität des Verfahrens konnten hierbei durch aktuelle Arbeiten deutlich gesteigert werden.
Einen weiteren, völlig anderen Weg der Fragmentierungssimulation beschreiten wir mit dem am EMI entwickelten Code MD-Cube, der auf der Diskrete-Elemente-Methode beruht. Hierbei wird, vereinfacht gesagt, das abzubildende Material durch eine Vielzahl von Partikeln repräsentiert, die über Verbindungselemente miteinander verknüpft sind und deren Interaktionen über materialspezifische Gesetzmäßigkeiten beschrieben werden. Die Fragmentierung wird dabei auf natürliche Weise dadurch ermöglicht, dass diese Verbindungselemente brechen können. Durch eine hochparallelisierte Implementierung in MD-Cube können Modelle selbst mit vielen zehn Millionen Partikeln effizient simuliert werden.
Die komplexen und numerisch anspruchsvollen Simulationen erfordern auch auf der Hardwareseite eine moderne IT-Infrastruktur, deren zentraler Bestandteil das Scientific-Linux-Hochleistungsrechencluster des EMI ist.
