Parallel simulation of volume-coupled multi-field problems with special application to soil dynamics

Abstract

Zur Lösung vieler ingenieur- und naturwissenschaftlichen Problemstellungen sind numerische Simulationen ein wichtiges Hilfsmittel. Sie dienen beispielsweise der Wettervorhersage in der Meteorologie oder der Strukturanalyse und Strukturoptimierung im Maschinenbau. In vielen Aufgabenstellungen kann das untersuchte Problem, aufgrund seiner starken Wechselwirkung mit den angrenzenden Systemen, nicht losgelöst betrachtet werden, so dass eine gesamtheitliche Betrachtungsweise notwendig wird. Diese Systeme werden in der Literatur als gekoppelte Probleme bezeichnet. Aufgrund der Komplexität der betrachteten Probleme sind zur effizienten Lösung der zugrunde liegenden Gleichungen parallele Lösungsstrategien von Vorteil. Hierbei wird das Gesamtproblem in kleinere Teilprobleme zerlegt, die gleichzeitig auf verschiedenen Rechnern oder Prozessoren gelöst werden. Um die Vorteile dieses Lösungsverfahrens bestmöglich nutzen zu können, sind erhebliche Anstrengungen zunächst für die initiale Entwicklung und Umsetzung eines effizienten Lösungsverfahrens sowie anschließend für dessen kontinuierliche Weiterentwicklung notwendig. Die vorliegende Monographie beschreibt einen Ansatz zur Kosimulation numerischer Probleme zwischen dem kommerziellen auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basierenden Programmpaket Abaqus und dem für die Forschung entwickelten Löser PANDAS. Durch die Entwicklung einer allgemeinen Schnittstelle können die Materialmodelle von PANDAS direkt, ohne eine langwierige und fehleranfällige Reimplementierung, in eine für die industrielle Anwendung wichtige Simulationsumgebung überführt werden. Hierbei kann direkt auf die umfangreiche Materialmodellbibliothek von PANDAS zurückgegriffen werden. Zur Illustration der Anwendungsmöglichkeiten der Abaqus-PANDAS-Kopplung wird diese exemplarisch zur Simulation verschiedener volumengekoppelter Mehrfeldprobleme herangezogen. Als bodenmechanisches Anwendungsbeispiel wird die Tragfähigkeit eines flüssigkeitgesättigten granularen Materials unter quasi-statischen und dynamischen zyklischen Belastungen untersucht. Weiterhin werden mehrphasige Strömungsprozesse, wie sie z. B. im Produktionsprozess von faserverstärkten Kunststoffen auftreten, numerisch simuliert. Im sogenannten Vaccum-Assisted-Resin-Transfer-Moulding (VARTM), wird ein zunächst trockenes (gasgesättigtes) Fasergewebe kontinuierlich mit Harz getränkt, wobei für die praktische Anwendung insbesondere die Zeit bis zur vollständigen Sättigung und der sich einstellende Faservolumenanteil im fertigen Bauteil von großem Interesse sind. Weiterhin werden die Effizienz und die parallele Skalierbarkeit des vorgeschlagenen Kosimulationsansatzes untersucht.