Entwicklung und Validierung neuartiger, diskretisierungsfehlerbasierter Adaptivitätskriterien für Smoothed Particle Hydrodynamics

• Antragsteller: Dr.-Ing. Fabian Spreng
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 330757192

Das partikelbasierte räumliche Diskretisierungsverfahren Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) eignet sich aufgrund seiner Netzfreiheit zur numerischen Untersuchung einer Vielzahl von ingenieurwissenschaftlich relevanten Festkörperszenarien. Vorteile mit der gitterfreien SPH-Methode bieten sich unter anderem im Falle von Strukturen mit extremen Deformationen, erheblichen Topologieänderungen, lokalem Materialversagen und/oder zahlreichen Kontakten. Um Festkörpersimulationen mit der SPH-Methode effizienter zu gestalten, wird seit geraumer Zeit intensiv an einer erweiterten Form, die als adaptive SPH bekannt ist, gearbeitet. Die adaptive SPH-Methode erlaubt mittels einer Aufspaltung bzw. Zusammenführung von Partikeln zur Simulationslaufzeit eine dynamische Anpassung des Diskretisierungsgrades bestimmter Modellregionen. Damit diese weiterentwickelte Methode in die Ingenieurpraxis Einzug halten kann, sind geeignete Kriterien vonnöten, die lokal darüber entscheiden, ob die räumliche Auflösung angepasst werden muss. Bisher gelangen hierfür ausschließlich rudimentäre Adaptivitätskriterien, zum Beispiel positionsbasierte, zum Einsatz. Diese erfordern, dass dem Benutzer die spätere Systemdynamik bereits im Vorfeld der Simulation bekannt ist, was entscheidend der Vision von SPH-Simulationen mit prädiktivem Charakter widerspricht.Das beantragte Forschungsvorhaben hat zum Ziel, die Anwendbarkeit des adaptiven SPH-Verfahrens durch die Entwicklung und anwendungsorientierten Validierung neuartiger Adaptivitätskriterien, welche unmittelbar auf dem begangenen räumlichen Diskretisierungsfehler beruhen, zu erhöhen. Erste Untersuchungen des Antragstellers diesbezüglich haben sehr vielversprechende Ergebnisse hervorgebracht. Der Antragsteller hat sich im Rahmen seiner Promotion intensiv mit dem Thema adaptive SPH beschäftigt und es liegen somit umfassende Vorkenntnisse sowie wichtige Anknüpfungspunkte für das geplante Forschungsprojekt vor. Auch konnten bereits zwei grundlegende Konzepte zur fehlerbasierten Adaptivität für SPH entwickelt werden. Diese zeigen das immense Potenzial dieser Klasse an Adaptivitätskriterien auf, sind jedoch Einschränkungen ihre Anwendbarkeit betreffend unterworfen. Es gilt als Teil des beantragten Forschungsstipendiums, die bestehenden Ansätze aufzugreifen, diese detailliert zu analysieren und hierauf aufbauend überlegene fehlerbasierte Adaptivitätskriterien für SPH zu entwickeln sowie deren Tauglichkeit nachzuweisen. Hierfür zeigt sich das Department of Civil and Environmental Engineering des Massachusetts Institute of Technology als ideales Umfeld, da dort bereits seit Jahren fortschrittlichste Forschung auf dem Gebiet der Festkörpersimulation mit SPH im Allgemeinen sowie der adaptiven SPH-Methode im Speziellen betrieben wird. Die Durchführung des geplanten Forschungsprojekts wird für die weitere wissenschaftliche Karriere des Antragstellers, so auch für die von ihm angestrebte Habilitation, von hoher Wichtigkeit sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor John R. Williams, Ph.D.