Multidisziplinäre Design- und Simulationsmethoden

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Design- und Simulationsmethoden sind eng miteinander verzahnt, um Entwurfsentscheidungen zu überprüfen und zu verfeinern. Während Designmethoden Struktur, Funktion und Randbedingungen eines Systems festlegen, prüft die Simulation diese Entwürfe unter realistischen Belastungen, Schnittstellen und Umgebungsbedingungen. Somit fließen Ergebnisse aus der Simulation direkt zurück in die Designphase: Schwachstellen werden sichtbar, Parameter können optimiert und alternative Konzepte schnell bewertet werden. So lassen sich Risiken verringern, Entwicklungszyklen verkürzen und Kosten senken, während die Produktqualität und Innovationskraft steigen.
Durch die enge Verzahnung entsteht ein leistungsfähiges, interdisziplinäres Arbeitsumfeld, das Kreativität und Effizienz gleichermaßen fördert.

Die multidisziplinäre Simulation verbindet unterschiedliche physikalische und technische Disziplinen in einem integrierten Modellierungs- und Simulationsansatz. Anstatt einzelne Aspekte wie Strukturmechanik, Strömungssimulation oder Regelungstechnik isoliert zu betrachten, werden deren Wechselwirkungen simultan abgebildet. Dadurch entstehen realitätsnähere Vorhersagen zum Verhalten komplexer Systeme mit starken Wechselwirkungen. Ein wesentlicher Vorteil liegt in dem Verstehen dieser Wechselwirkungen und in der frühen Identifikation kritischer Effekte und Designkonflikte: Durch die gleichzeitige Betrachtung z.B. von thermischen oder mechanischen Wechselwirkungen lassen sich Schwachstellen und Optimierungspotenziale schon in der Konzeptphase aufdecken. Das minimiert teure Nacharbeiten und Prototypenzyklen und beschleunigt den gesamten Entwicklungsprozess. Zusätzlich erlaubt dieses Vorgehen eine fundierte Risikoabschätzung und Ressourcenzuordnung.

Technologisch werden multidisziplinäre Simulationen durch moderne Softwareplattformen realisiert, die Parametrisierung, Automatisierung und Datenverwaltung über Disziplingrenzen hinweg unterstützen. So können die Modelle interaktiv angepasst, verschiedene Szenarien parallel berechnet und Resultate nahtlos austauscht werden.

Insgesamt leistet die multidisziplinäre Simulation einen wesentlichen Beitrag zur Innovationsfähigkeit von Unternehmen. Sie fördert einen ganzheitlichen Denkansatz, der technische Exzellenz, ökonomische Effizienz und ökologische Nachhaltigkeit vereint. Wer heute auf diesen integrativen Ansatz setzt, sichert sich einen entscheidenden Vorsprung in der Produktentwicklung von morgen.

Das IFL ist seit über 30 Jahren in dem Bereich Multidisziplinärer Design- und Simulationsmethoden sowohl methodisch als auch anwendungsorientiert mit Problemstellungen aus der Luft- und Raumfahrt forschend aktiv. Im Fokus stehen oftmals Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen von Systemen mit mechanischen und thermischen Kopplungen. Dabei kommen Modellierungen verschiedener Fidelität zum Einsatz, wobei der Schwerpunkt auf der Kopplung von Methoden der Computational-Fluid-Dynamics (CFD) mit Methoden der Computational-Structural-Mechanics (CSM) liegt. Zur Lösung der Gleichungen in den Teilgebieten werden etablierte Codes für die Strömung, z.B. OpenFOAM oder DLR Tau-Code, und für die Struktur, z.B. Abaqus, Ansys, Nastran, eingesetzt. Im Verlauf vieler Projekte wurden reichhaltige Expertisen zur algorithmischen und softwaretechnischen Kopplung von partitionierten Simulationsansätzen aufgebaut und hiermit die Softwareplattform ifls (integration framework and linking system) entwickelt, die es ermöglicht, gekoppelte Simulationen mittels partitionierter Ansätze elegant und numerisch akkurat umzusetzen.

Dadurch wurden viele Forschungsfragestellungen untersuchbar, die beispielsweise aus dem Bereich der Aeroelastizität elastischer Flügel von Vögeln bis hin zu denen von Verkehrsflugzeugen oder auch der thermisch-mechanischen Kopplungen bei Wiedereintrittskörpern kommen. Aktuelle Forschungsarbeiten befassen sich beispielsweise mit Optimierung von Strukturkonzepten zur Lastabminderung an Verkehrsflugzeugen auch unter Einbeziehung von Regelungsaspekten oder mit der Auslegung innovativer Kühlkanalstrukturen von thermisch und mechanisch belasteten Strukturen zur Oberflächenkühlung oder von hochbelasteten Raketenbrennkammern. Derzeit methodisch herausfordern sind die Entwicklung von Methoden für die effiziente Optimierung solcher Strukturkonzepte. Neben numerischen Optimierungsmethoden, z.B. bayesische Optimierung auf Basis genetischer Algorithmen, sind als Bausteine effiziente Methoden zur Topologieoptimierung für innovative Bauweisen, z.B. auf Basis der isogeometrischen Analyse (IGA) und Methoden für die schnelle Strukturanalyse, z.B. für die Crashbewertung mittels Ersatzmodellen abgeleitet aus Modellen hoher Fidelität, Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.