Simulation

Aus ESOCAETWIKIPLUS

engl: simulation          Kategorie: Level 1 Theorie

Simulation ist eine virtuelle Ausführung von Vorgängen, wobei die Realität angenähert wird. Oftmals werden dabei Computer und auch numerische Methoden verwendet.

Was kann als Simulation bezeichnet werden?

Zur Simulation zählen viele Anwendungen, zum Beispiel:

• eine Wiederbelebung wird im Erste-Hilfe-Kurs simuliert oder ein Chirurg simuliert eine neue Operationstechnik: aus ethischen Gründen verbietet sich ein Experiment
• die Evakuierung eines Flugzeugs: ein Experiment ist zu gefährlich
• eine Notlandung im Flugsimulator: ein Experiment ist zu gefährlich

Solche Simulationen werden hier im CADFEM Wiki NICHT betrachtet.

Als Simulation kann man auch folgende Experimente betrachten:

• ein Zugversuch einer Metallprobe: es wird simuliert, wie sich das Material verhält (die Probe ist real, aber die Beanspruchung ist simuliert)
• ein Crash-Test eines Autos: es wird simuliert, was bei einem Aufprall passiert (das Auto ist real, der Unfallvorgang wird simuliert)

Solche Simulationen werden hier nur indirekt als Grundlage für weitere Simulationen betrachtet. Sie liefern Daten und Parameter, die in weiteren technischen Berechnungen eingesetzt werden und diese treffsicherer und genauer machen.

Welche Simulationen werden in diesem CADFEM Wiki betrachtet?

Simulationen, die hier in diesem CADFEM Wiki betrachtet werden, sind zum Beispiel:

• eine Berechnung einer Druckgasflasche unter Innendruck: es wird simuliert, welche Spannungen in der Wandung auftreten und welche Sicherheit gegen Bersten vorliegt (ein Experiment ist zu aufwändig)
• eine Computerberechnung eines Kraftwerkes bei Erdbeben: es wird simuliert, welche Folgeschäden auftreten können (das Kraftwerk und die Last sowie der Vorgang werden am Computer virtuell abgebildet, hypothetisches Geschehen, ein Experiment ist unmöglich)
• eine Computerberechnung der Herstellung einer Schweißnaht: es wird simuliert, wie das Metall schmilzt und erstarrt, wie sich das Bauteil verspannt (ein Experiment hilft nicht, weil Messfühler zerstört würden, Messorte unzugänglich, Vorgang zu schnell)
• eine Computerberechnung der Stromverdrängung in einer gekrümmten Leiterbahn: es wird simuliert, wie der Strom in der winzigen Leiterbahn fließt (Messung wegen der kleinen Abmessungen unmöglich)
• eine Computerberechnung einer Tsunami-Welle in einem Hafenbecken: es wird simuliert, wie sich die Welle ausbreitet, welche Wassermassen bewegt werden und welche Wellenhöhen auftreten (hypothetisches Geschehen)

Solche Simulationen werden im technischen Alltag verwendet, um Bauteile und Prozesse zu untersuchen und damit eine technische Aussage zu ermöglichen. Diesen Beispielen ist gemeinsam, dass die Simulation nicht nur die virtuelle Darstellung und Wiedergabe betrifft (auch als Mock-up bezeichnet), sondern physikalische Eigenschaften sind zu berücksichtigen und abzubilden. Das sind Festigkeit oder Elastizität in der Strukturmechanik, Widerstand bei elektrischen Feldern.

Welche Simulationsmethoden werden betrachtet?

Hier werden numerische Simulationsmethoden betrachtet. Sie erfordern die Arbeitsschritte

• Idealisierung,
• Diskretisierung,
• Lösung,
• Auswertung und meistens noch die
• Bewertung.

Für die Durchführung der Simulation ist immer eine Idealisierung erforderlich. Damit wird die Realität der Aufgabenstellung in ein Modell umgesetzt, auf das die Simulationsmethoden angewendet werden können.

Im allgemeinen werden die Simulationen als Computer-Anwendung ausgeführt. Die Programmierungen dienen dazu, die Berechnungsschritte auszuführen. Dies beginnt beim Taschenrechner, der zur Anwendung von Formeln verwendet wird, führt über den PC, auf dem ein virtuelles Modell des Bauteils erstellt und berechnet wird, bis hin zu einem Rechnerverbund mit grafischen Hilfsmitteln, mit denen ein realitäts-nahes Abbild (mock-up) erzeugt wird. Viele Methoden verwenden eine Diskretisierung des Bauteils, zum Beispiel die Finite-Element-Methode (FEM). Dabei werden kleine Bereiche des Bauteils - die finiten Elemente - zugrunde gelegt, um das physikalische Verhalten des Bauteils abzubilden.

Die Computeranwendung endet nach der Lösung mit der Auswertung, also der Sichtung und Betrachtung der Ergebnisse.

Mit einer Bewertung der Ergebnisse wird die technische Aussage getroffen und die Simulation abgeschlossen.