Dieses Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Kai Schrader
Förderungszeitraum: 01.12.2008 - 30.11.2011
Projektbeschreibung
Die Entwicklung von neuen Werkstoffen in vielen Bereichen des Bauingenieurwesens und des Maschinenbaus basiert immer stärker auf Materialexperimenten, die im Computer simuliert werden und immer weniger auf realen werkstoffmechanischen Experimenten im Labor. Dabei entwickeln sich die numerischen Simulationsmodelle zunehmend von den phänomenologischen Betrachtungen der Makroskala zu werkstoffmechanischen und –physikalischen Modellen der Meso-, Mikro- und Nanoskala. Mit diesen Modellen lassen sich beispielsweise Schädigungsvorgänge in bisher nicht gekannter Genauigkeit prognostizieren.
Abb. 1: Links: REM-Aufnahme einer Anschliffprobe von ultrahochfestem Beton (UHPC), 28d, Graue Einschlüsse: Quarzkörner, Helle Areale: Bindemittelmatrix mit unhydratisiertem Zement (Bild: FIB, BU Weimar 2006); Rechts: 3D-Substruktur eines hybrid vernetzten Einschluss-Matrix-Verbundes in SLang.
In diesem Forschungsprojekt beschäftigen wir uns mit Lösungsansätzen zur numerischen Simulation mikrostruktureller Schädigungsvorgänge in mehrphasigen Verbundmaterialien, um damit zu verbesserten Simulationsmethoden für die Lebensdauerprognose beispielsweise von Beton- und Stahlbetontragwerken zu gelangen. Im Projekt sollen effiziente FEM-Simulationsmethoden entwickelt werden, mit denen die heterogene Gefügestruktur in hoher Auflösung auf der Mikroskala abgebildet werden kann. Hierzu werden gitterbasierte als auch adaptive Diskretisierungsverfahren mit entsprechenden Lösungsstrategien eingesetzt, mit denen eine hohe Auflösung besonders im Bereich der Phasengrenzen möglich wird. Ein Nachteil der Gitterdiskreti- sierungen, insbesondere im Rahmen von Analysen des physikalisch nichtlinearen Verhaltens, sind die Spannungssingularitäten im Bereich der nichtglatten Phasenübergänge. Hier können adaptiv hybride Diskretisierungsmethoden eine Lösung bieten.
Die hier zu entwickelnde Simulationsmethodik soll es in Zukunft ermöglichen, die nach einer automatischen Bildverarbeitung der computertomografischen Daten (siehe Abbildung) generierten mehrphasigen 3D-Modelle (bestehend z.B. aus Matrixmaterial, Einschlüssen, Interfacezone, Luftporen) effizient berechnen zu können.
Abb. 2: Farbliche Übergänge markieren die Kopplungsränder ? der diskretisierten Steklov-Poincaré-Operatoren eines partitionierten Lösungsansatzes für die unstrukturierte (hybride) Vernetzung.
Schwerpunkte:
3D-Modellierung der Gefügestruktur mehrphasiger Teilchenverbunde
Hybrider Diskretisierungsansatz durch Kombination von gitterbasierten mit adaptiven Verfahren sowie Verwendung von dualen/gemischten Methoden
Entwicklung von effizienten Lösungsstrategien unter simultaner Verwendung von iterativen und direkten Gleichungslösern für hybrid adaptive Diskretisierungen
Partitionierte Lösungsansätze: Nichtüberlappende Gebietsdekompositionsmethoden (DD-Methoden), iterative (schurkomplementfreie) und direkte Substrukturverfahren; Parallelisierungstechniken
Diskrete und kontinuumsmechanische Schädigungsmodellierung
MPI-basiertes Hochleistungsrechnen und hybrides CPU-GPU Clustering
Journals
Schrader, K., Könke, C.: "Finite element procedures for distributed ccNuma computing based on nodal compressed row storage". International Journal for Parallel Programming, January 2011, submitted.
Schrader, K., Könke, C.: "Hybrid computing models for large-scale heterogeneous 3D microstructures". International Journal for Multiscale Computational Engineering, October 2010, accepted.
Tagungsbeiträge | Proceedings
K. Schrader and C. Könke: “Hybrid computation model for decomposed PDEs arising from heteregeneous 3d microstructures.“, In Proceedings of the 10th International Conference of Computational Structure Technology (CST2010), September 14 – 17, 2010, Valencia, Spain, 2010.
K. Schrader and C. Könke: “Efficient computation of saddle-point approximations based on dual-primal FETI methods.“, In Proceedings of 21th Forum Bauinformatik, University Karlsruhe & Karlsruhe Institute of Technology (KIT), September 23 – 25, 2009, Karlsruhe, Germany, 2009.
K. Schrader and C. Könke: “Decomposition and computation of irregular heterogeneous elasticity problems by modified FETI-DP techniques.”, 10th. US National Congress on Computational Mechanics (USNCCM-10) July 16 – 19, 2009, Columbus, Ohio/USA, 2009.
K. Schrader, S. Dietsch and C. Könke: „Sparse approximate computation of Saddle Point problems arising from FETI-DP discretization.”, In Proceedings of the International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering (IKM), July 7 – 9, 2009, Bauhaus-University Weimar, 2009.
K. Schrader and C. Könke: "Multi constraint mesh partitioning and hybrid solution strategies for 3d simulation of heterogeneous microstructures.”, 8th. World Congress on Computational Mechanics (WCCM8)/5th. European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2008) June 30 – July 5, 2008, Venice, Italy, 2008.
Most, T., S. Eckardt, K. Schrader and T. Deckner: "An improved cohesive crack model for combined crack opening and sliding under cyclic loading.", In K. Gürlebeck and C. Könke (Eds.), Proceedings of the 17th International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering, Weimar, Germany, 2006.