Wie modelliert und simuliert man das Verhalten und die Wechselwirkungen von weichen Materialien und Strukturen?

2 So modellieren Sie weiche Materialien

Bei der Modellierung weicher Materialien werden ihre physikalischen Eigenschaften und ihr Verhalten mithilfe mathematischer Gleichungen und Parameter beschrieben. Je nach Komplexität und Umfang des Problems können verschiedene Arten von Modellen verwendet werden, z. B. Kontinuumsmodelle, diskrete Modelle oder Hybridmodelle. Kontinuumsmodelle gehen davon aus, dass es sich bei dem Material um ein homogenes und kontinuierliches Medium handelt, das durch Parameter wie Dichte, Elastizität, Viskosität und Spannung charakterisiert werden kann. Diskrete Modelle behandeln das Material als eine Ansammlung von Partikeln, Federn oder Elementen, die durch Kräfte und Potentiale miteinander interagieren. Hybridmodelle kombinieren Aspekte von Kontinuums- und diskreten Modellen, um die multiskalige und multiphysikalische Natur weicher Materialien zu erfassen.

3 So simulieren Sie weiche Materialien

Bei der Simulation weicher Materialien werden die Modelle mit numerischen Methoden und Algorithmen gelöst, die die Lösung in einer endlichen Zeit und einem endlichen Raum approximieren können. Je nach Modelltyp und gewünschter Genauigkeit und Effizienz können unterschiedliche Methoden zum Einsatz kommen, wie z.B. Finite-Elemente-Methoden, Finite-Differenzen-Methoden, Gitter-Boltzmann-Methoden oder Molekulardynamik-Methoden. Die Simulation weicher Materialien erfordert ein Gleichgewicht zwischen Rechenaufwand und Realismus sowie eine sorgfältige Auswahl von Randbedingungen, Anfangsbedingungen und Parametern, die die experimentellen Daten und Beobachtungen widerspiegeln.

4 Welche Werkzeuge sollten für weiche Materialien verwendet werden?

Bei der Modellierung und Simulation weicher Materialien stehen je nach Kenntnisstand und Zweck der Analyse viele Werkzeuge und Software zur Verfügung. Abaqus ist eine kommerzielle Software, die umfassende Funktionen und Module für nichtlineare, dynamische und multiphysikalische Probleme bietet. COMSOL Multiphysics ist eine weitere kommerzielle Software, die eine breite Palette von Physik und Anwendungen unterstützt, wie z. B. Strukturmechanik, Strömungsdynamik, Wärmeübertragung und Elektromagnetik. LAMMPS ist eine Open-Source-Software, die für Molekulardynamik-Simulationen großer Systeme aus Atomen, Molekülen oder Polymeren verwendet wird. Schließlich ist SOFA eine Open-Source-Software, die einen Rahmen für die Modellierung und Simulation von verformbaren Objekten und Weichteilen für interaktive Anwendungen wie virtuelle Realität, Haptik oder medizinische Simulation bietet.

5 So validieren und verifizieren Sie weiche Materialien

Die Validierung und Verifizierung von Modellen und Simulationen weicher Materialien ist ein entscheidender Schritt, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu gewährleisten. Bei der Validierung werden die Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten oder realen Beobachtungen verglichen, um zu überprüfen, ob das Modell die wesentlichen Merkmale und das Verhalten des Systems erfasst. Bei der Verifizierung wird überprüft, ob die Simulation korrekt und konsistent durchgeführt wird, ohne Fehler oder Bugs im Code, in der Eingabe oder in der Ausgabe. Validierung und Verifizierung erfordern einen systematischen und rigorosen Ansatz, der die Definition der Ziele, Kriterien und Vergleichsmethoden sowie die Dokumentation und Berichterstattung der Ergebnisse und der Unsicherheiten umfasst.