Multiphysik-Kopplung von FEM und SPH

Um komplexe multiphysikalische Prozesse wie etwa additive Fertigung oder die Verdauung von Nahrung im Magen im Computer zu simulieren, genügt es oft nicht, entweder vollständig auf netzbasierte Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) oder partikelbasierte Verfahren wie Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) zurückzugreifen. Stattdessen müssen die Vorteile dieser unterschiedlichen Philosophien kombiniert werden, um unterschiedliche Teilaspekte optimal abbilden zu können. Dazu haben wir eine Simulationsplattform entwickelt. Diese kann selbst komplexe multiphysikalische Prozesse detailiert abbilden, die so unterschiedliche Phänomene umfassen wie Festkörpermechanik, Fluidmechanik, Wärmeleitung, Diffusion und Elektrostatik.

Simulation eines Dammbruch-Szenarios unter Berücksichtigung der Interaktion des Fluids mit starren Kugeln basierend auf einer SPH Formulierung [1].

Simulation eines Selective Laser Melting Problems mit explizit aufgelöstem Pulver [1] unter Berücksichtigung von Oberflächenspannung, Benetzung, und Verdampfungsrückstoßdruck [2] mithilfe von SPH (in Kollaboration mit Christoph Meier, Lehrstuhl für Numerische Mechanik, TUM).

[1] Fuchs SL, Meier C, Wall WA, Cyron CJ. An SPH framework for fluid-solid and contact interaction problems including thermo-mechanical coupling and reversible phase transitions. Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences (2021); https://doi.org/10.1186/s40323-021-00200-w

[2] Meier C, Fuchs SL, Hart AJ, Wall WA. A novel smoothed particle hydrodynamics formulation for thermo-capillary phase change problems with focus on metal additive manufacturing melt pool modeling. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering (2021); https://doi.org/10.1016/j.cma.2021.113812