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Simulation und Visualisierung von Partikelmischungen

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. Dazu müssen die Korngrößen und ihre Häufigkeitsanteile so aufeinander abgestimmt sein, dass die Zwischräume zwischen größeren Partikeln möglichst gut durch kleinere ausgefüllt werden. 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. Andere Materialien, die auf Partikelmischungen basieren sind z.B. Tabletten in der Pharmazie, Gussformen in der Metallurgie oder Pulver für den 3D-Druck.


Von dieser schwierigen Aufgabe ist im Rahmen der Dissertation Raschdorf (2010) ein wesentlicher Schritt gelungen mit der Entwicklung eines Systems RaSim zur hierarchischen Simulation der Raumausfüllung von sehr breiten Korngrößenverteilungen (von unter einem Tausendstel Millimeter bis zu einigen Zentimetern). Speziell entwickelte Datenstrukturen, die z.T. aus dem Bereich der Computerspiele entlehnt wurden, ermöglichen die Verarbeitung sehr großer Zahlen von Partikeln.

In seiner Dissertation hat Stephan Mock untersucht, wie sich das Agglomerationsverhalten kleinster Partikel in diese Simulation einbeziehen lassen. Sehr kleine Partikel neigen dazu, sich in irregulären Strukturen zusammenzuballen, die z.T. große Hohlräume umschließen und dadurch die Raumausfüllung der Mischung stark herabsetzen können. Charakteristische Größen dieser Agglomerate werden durch eine separate Simulation ermittelt und in das System RaSim eingespeist.

In einem laufenden Promotionsvorhaben werden diese Verfahren auf moderne, parallele Hardware (GPU) übertragen. Dies erfordert ein völliges Neudesign der Datenstrukturen und Algorithmen, da die parallele Verarbeitung nur dann effizient ist, wenn alle gleichzeitig durchgeführten Arbeiten etwa gleichaufwändig sind. Der Beschleunigungseffekt ist aber enorm. Für Simulationen, die in der bisherigen, sequentiellen Form 11 Stunden dauern, werden jetzt nur noch 1.5 Minuten gebraucht.

In dem Partnerprojekt "Virtuelles Mikroskop" in Zusammenarbeit mit dem Institut für Informatik wird zugleich untersucht, wie die simulierten Partikelpackungen visuell inspiziert werden können. Die Kamera kann dabei durch die Packung fahren, es können eventuell vorhandene Überlappungen der Partikel separat visualisiert werden, ebenso wie die Zwischenräume. Dadurch können lokale Besonderheiten der Packung studiert werden und es kann das Simulationsverfahren korrigiert und verbessert werden.

Diese Arbeiten werden von der Dyckerhoff-Stiftung finanziert sowie (teilweise) vom Simulationswissenschaftlichen Zentrum Clausthal-Göttingen und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nichtmetallische Werkstoffe (Prof. Wolter) durchgeführt. Die Dissertation von Herrn Raschdorf wurde 2010 mit dem Preis der Freunde und Förderer der TU Clausthal ausgezeichnet.

Veröffentlichungen

  • S. Raschdorf: "Bestimmung der Raumausfüllung von Partikelmischungen - Modelle und Datenstrukturen für die Simulation durch Kugelpackungen", Dissertation, Clausthal 2010.
  • M. Kolonko, S. Raschdorf, D. Wäsch: "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]
  • TUC-Jahrbuchbeiträge [pdf]
 

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