FIRE: Software aus Freiburg steigert die Genauigkeit von Werkstoffmodellen aller Art
In den USA hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg jetzt einen Algorithmus zum Patent angemeldet. Entwickelt wurde er, um die Simulation des Verhaltens von Materialien am Rechner weiter zu verbessern. Die Software mit dem Kurznamen FIRE (für Fast Inertial Relaxation Engine) könne praktisch jedes mathematische Werkstoffmodell optimieren - und das dreimal schneller und wesentlich genauer als etablierte Verfahren, meinen IWM-Projektleiter Michael Moseler und Peter Gumbsch.
Zweieinhalb Jahre haben die beiden Forscher mit einem Kernteam von fünf Leuten, darunter auch Mitarbeiter des Instituts für Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen in Karlsruhe, an der Entwicklung des Algorithmus gearbeitet. Jetzt hat "Physical Review Letters" einen Beitrag zu FIRE veröffentlicht.
Der Algorithmus beantwortet die Frage, was zu tun ist, um ein beliebiges Werkstoffmodell zu optimieren. "Ein Werkstoffmodell, mit dem das Verhalten eines Bauteils errechnet wird, beschreibt wie die Energie des Materials von dessen inneren Freiheitsgraden abhängt," erklärt Michael Moseler. Daraus ergebe sich zum Beispiel, wie viel oder wie wenig Energie für eine bestimmte Anordnung der Atome in den Molekülen nötig sei. "Die Natur sucht immer den Zustand der niedrigsten Energie. Das muß das Modell im Grunde nachmachen: Es muß schauen, wie ein Material auf Belastung reagiert, wie es sich verformt oder gar bricht - um eben Spannungen oder Druck abzubauen oder aufzunehmen und wieder einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen", erläutert Michael Moseler, Leiter der Arbeitsgruppe Physikalische Werkstoffmodellierung am Fraunhofer IWM, die Ausgangslage. "Unser Algorithmus findet diesen Zustand extrem schnell und zuverlässig und hilft damit ein Modell beziehungsweise seine Vorhersage und die Wirklichkeit noch näher zueinander zu bringen." ergänzt Peter Gumbsch, Leiter des Fraunhofer IWM und des Instituts für Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen an der Universität Karlsruhe.
Der Algorithmus trage dazu bei, dass ein Energieminimum nicht erst nach Tagen, sondern bereits in wenigen Stunden gefunden wird - wobei herkömmliche Algorithmen sogar in einigen wichtigen Fällen ergebnislos abbrachen. Die neu entwickelte Software in ein Materialmodell einzubauen, sei ebenfalls innerhalb weniger Stunden möglich. "Auch da sind wir besser als die bisherigen Verfahren", sagt Peter Gumbsch. Das amerikanische Patent soll die Software schützen und dafür sorgen, dass die Forscher nach der intensiven und kostenträchtigen Entwicklungsphase nun auch vom großen Bedarf weltweit profitieren.
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