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Simulation der Raumausfüllung von Betonmischungen

In den Materialwissenschaften versucht man zunehmend, Eigenschaften von neuen Materialien, neuen Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren vorab simulativ am Rechner zu bestimmen ('Designmaterialien'). Bei Partikelmischungen, wie sie z.B. für Beton und andere Baustoffe verwendet werden, ist die Raumausfüllung der trockenen Mischung eine wesentliche Größe, die die Qualität des fertigen Materials bestimmt. Ziel ist es, aus gegebenen Ausgangsstoffen auf dem Rechner eine Mischung zu finden, die eine vorgegebene (i.A. sehr hohe) Raumausfüllung liefert. Derartige Mischungen sind Kandidaten für einen sogenannten ultra-hochfesten Beton, mit dem neuartige, sehr feine und hoch tragfähige Baustrukturen verwirklicht werden können. Gleichzeitig können mit einem solchen Instrument gezielt besonders energieintensive Rohstoffe durch günstigere ersetzt werden.

Im Rahmen der Dissertation S. Raschdorf  wurde ein Simulationssystem entwickelt, mit dem die Raumausfüllung von sehr breiten Korngrößenverteilungen (von unter einem Tausendstel Millimeter bis zu einigen Zentimetern) simumliert werden kann.

S. Raschdorf hat dazu eine hierarchische Vorgehensweise benutzt, in der hierarchieübergreifende Interaktionen der Partikel durch eine besondere Art der Stichprobenziehung berücksichtigt werden. Speziell entwickelte Datenstrukturen, die z.T. aus dem Bereich der Computerspiele entlehnt wurden, ermöglichen die Verarbeitung sehr großer Zahlen von Partikeln.

Diese Arbeit wurde von der Dyckerhoff-Stiftung finanziert und 2010 mit dem Preis der Freunde und Förderer der TU Clausthal ausgezeichnet.

In der Dissertation S. Mock wurde das System so erweitert, dass jetzt auch das Phänomen der Agglomeration kleinster Pratikel in der Simulation berücksichtigt werden kann. Auch diese Arbeit wurde von der Dyckerhoff-Stiftung finanziert, ebenso wie das gegenwärtig laufende Projekt, das zum Ziel hat, die sehr aufwändige Simulation auf moderner Parallelhardware (GPU) ablaufen zu lassen.

Weitere Einzelheiten zum Projekt siehe: [pdf] und [pdf].

Literatur

  • S. Raschdorf: "Bestimmung der Raumausfüllung von Partikelmischungen - Modelle und Datenstrukturen für die Simulation durch Kugelpackungen", Dissertation, Clausthal 2010
  • M. Kolonko, S. Raschdorf, D. Wäsch: "A hierarchical approach to simulate the packing density of particle mixtures on a computer", Granular Matter, Volume 12 (2010), Number 6, 629-643, DOI: 10.1007/s10035-010-0216-5 [pdf-file]
  • M. Kolonko, S. Raschdorf: "A comparison of data structures for the simulation of polydisperse particle packings", to appear in International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2010, DOI: 10.1002/nme.2988 [pdf-file]
 

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