Fortgeschrittene gekoppelte numerische Modelle für aeroelastische Wechselwirkungen von dünnwandigen Strukturen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Samir Chawdhury
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522272948

Dünnwandige Strukturen wie Membrandächer und -schirme, hohe röhrenförmige Strukturen und Windturbinenblätter sind bemerkenswert leicht und flexibel und daher sehr anfällig für aeroelastische Schwingungsphänomene wie Flattern und wirbelinduzierte Schwingungen (VIV). Modelle zur genauen Vorhersage aeroelastischer Wechselwirkungen sind entscheidend für die Bewertung des Tragwerkes in Bezug auf verschiedene Grenzzustände. Windkanalversuche werden häufig verwendet; ihre Anwendung ist jedoch zeitaufwendig, teuer und mit Skaleneffekten behaftet. Numerische Fluid-Struktur-Kopplung (Fluid–Structure Interactions, FSI) Modelle finden in Konstruktion und Forschung immer mehr Beachtung, um das aeroelastische Verhalten zuverlässig vorherzusagen und das Verständnis physikalischer Phänomene zu unterstützen. Sie sind jedoch rechenintensiv, um hochauflösende Analysen durchzuführen. Strömungssimulationen sind sehr rechenaufwendig, wenn die Effekte der Umströmung komplexer Festkörperaufgelöst werden sollen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung gekoppelter numerischer Modelle für die Analyse aeroelastischer Interaktionen dünnwandiger flexibler Strukturen mit deutlich verbesserter Recheneffizienz und quantifizierter Vorhersagequalität. Es werden datengetriebene aerodynamische Prognosemodelle basierend of Methoden des maschinellen Lernens (ML) für ausgewählte dünnwandige Systeme formuliert und mit einer geometrisch nichtlinearen Finite-Elemente-Formulierung gekoppelt, um partitionierte FSI-Modelle zu entwickeln. Bei hoher Prognosegenauigkeit wird dies die Rechenzeit von FSI-Simulationen drastisch reduzieren. Trainingsdaten von aerodynamischen Kräften an dünnwandigen Systemen für verschiedene Anströmungsbedingungen müssen die Effekte von bewegungsinduzierten Kräften und Wirbelablösungen beinhalten, die daher aus hochauflösenden Strömungsanalysen mit Hilfe von Wirbelpartikelmethoden (VPM) gewonnen werden. Die methodische Grundlage besteht darin, die Rolle der klassischen Strömungsanalysemethoden in der gekoppelten Analyse durch die Verwendung eines ML-basierten Kraftvorhersagemodells zu ersetzen. Im Rahmen des Projekts soll auch die Qualität der Strömungsmodellierung für die VPM durch die Entwicklung einer neuartigen adaptiven Oberflächendiskretisierungstechnik für Randelemente verbessert werden. Dies wird zu erheblichen Fortschritten bei der Simulation von Strömungen um komplexe Geometrien und flexible Strukturen führen. Die Validierung und Interpretation der Analyseergebnisse wird durch Windkanalexperimente und durch die Untersuchung von Benchmark-FSI-Problemen dünner Plattensysteme in der freien Literatur unterstützt. Die numerische Methodik soll auf der Grundlage der verallgemeinerten Formulierung entwickelt werden, um die Modelle auf verschiedene dünnwandige Systeme und für FSI-Probleme mit kleinen und großen Verschiebungen anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Guido Morgenthal