5 Fragen: Simulation

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Wie kann eine Maschine mit dem Material interagieren?

Die Interaktion zwischen Maschine und Material bezieht sich hier hauptsächlich auf die Interaktion zwischen dem Fertiger/Walzenverdichter und dem Asphaltmischgut während demFahrbahnbau. In der Einbauphase rotiert die Schnecke des Fertigers, um das Asphaltgemisch über die gesamte Breite der Straße zu verteilen. In der Verdichtungsphase verdichtet die Bohlenplatte des Fertigers oder die Stahlbandage der Walze den Asphalt mit einer bestimmten Frequenz von vertikalen Vibrationen. Einerseits wird durch die vertikale Vibration der Maschine der normale Druck auf das Material ausgeübt. Andererseits wirkt bei der Verdichtung nicht nur eine vertikale Druckkraft, sondern die Verdichtungsmaschine bewegt sich auch vorwärts, während sie das Material verdichtet. Es gibt also auch eine horizontale Scherkraft, die sich aus dem Reibungsverhalten zwischen der Verdichtungsmaschine und dem Material ergibt. Wenn an der Kontaktstelle zwischen den Aggregaten eine Scherkraft erzeugt wird, kommt es zu einer Umlagerung der Aggregate, zu einer Volumenverringerung und zu einer Partikeldrehung selbst bei sehr geringen Spannungen. Diese Prozesse sind komplex und für die Entwicklung dauerhafter Beläge in der Praxis von Bedeutung. Daher werden in unserer Forschungsgruppe die Wechselwirkungen zwischen Maschine und Material untersucht, um die Prozesse besser zu verstehen und den Herstellungsprozess zu optimieren.

Was versteht man unter einem cyber-physischen System?

Ein cyber-physisches System (CPS) oder intelligentes System ist ein Computersystem, bei dem ein Mechanismus durch computergestützte Algorithmen gesteuert oder überwacht wird. In cyber-physischen Systemen sind physische und Software-Komponenten eng miteinander verflochten und können auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen operieren. Die physischen und Software-Komponenten interagieren miteinander in einer Weise, die sich je nach Kontext ändert. CPS beinhaltet transdisziplinäre Ansätze, die Theorien der Kybernetik, der Mechatronik, des Designs und der Prozesswissenschaft miteinander verbinden.

Nehmen wir als Beispiel die Asphaltverdichtung, so besteht das cyberphysische System im Wesentlichen aus dem physischen Objekt, dem Fertiger oder der Walze, die Daten erzeugt, die man als digitalen Schatten bezeichnen kann. Die Daten werden an die Software oder das digitale Modell weitergeleitet, und das digitale Modell kann diese Daten dann in Informationen umwandeln. Diese Informationen sind die Grundlage des Wissens, das wir gewonnen haben, um zu sehen, was das eigentliche Ziel in Laborexperimenten oder in der technischen Praxis ist, was die beste Mikrostruktur der Asphaltmischungen ist, die wir haben sollten, und was wir im Asphalt produzieren sollten. Diese Informationen können dann vielleicht in Echtzeit genutzt werden, um die Maschinen so zu steuern, dass sie dieses Gefüge herstellen und die richtige Qualität garantieren können, und sogar die Arbeiter auf der Baustelle durch diese Art von Algorithmen ersetzen, weil diese Algorithmen den Bauprozess in Echtzeit optimieren können. Dies ist ein langfristiges Ziel, und wir sind im Moment noch sehr weit davon entfernt. Aber was wir im Moment tun, ist, die Methoden dafür zu entwickeln.

Welche Gegenstände betrachtet die Multiskalen-Simulation?

Die Multiskalensimulation zielt darauf ab, die detaillierten mechanischen/thermischen/hydraulischen Reaktionen von Asphaltmaterialien auf verschiedenen Längenskalen durch numerische Simulationen wie die Finite-Elemente-Methode, die Methode der diskreten Elemente und die molekulardynamische Methode eingehend zu untersuchen. Die verschiedenen Längenskalen lassen sich von der molekularen Skala (mineralische Bestandteile der Zuschlagstoffe und chemische Bestandteile des Bitumens) über die Nanoskala (Bitumen), die Mikroskala (Asphaltmastix und Asphaltmörtel), die Mesoskala (Asphaltmischung) bis zur Makroskala (Asphaltbeläge) definieren. Einige signifikante kritische Spannungen/Dehnungen innerhalb der Asphaltmaterialien auf kleineren Skalen können genau dargestellt werden, was die Besonderheit der Multiskalensimulationen ist und durch Laborexperimente nicht erreicht werden kann. Solche kritischen Spannungs-/Dehnungsreaktionen zeigen, dass die anfänglichen Fehler oder Mikrorisse in Asphaltbelägen durch kleine Laborexperimente ausgeglichen werden können. Die skalenübergreifenden Beziehungen können entsprechend dem mechanischen Verhalten auf verschiedenen Skalen effektiv entwickelt werden. Mit einem tiefen Einblick in das multiskalige mechanische Verhalten und die skalenübergreifenden Beziehungen von Asphaltmaterialien kann das Design von Asphaltbelägen effektiv verbessert werden.

In welchen Bereichen gibt es Schnittmengen mit den anderen Fachbereichen Tunneltechnik und Verkehrstechnik?

Wie ich bereits in der zweiten Frage erläutert habe, bestehen die CPS aus verschiedenen Arten von groß angelegten Infrastrukturen, wie z. B. Fahrbahnen, Tunneln und auch Brücken, die eine große Menge an Informationen und physischen Komponenten aufweisen. Die Erzielung eines effizienten und sicheren Straßenverkehrs ist einer der Beweggründe für die Durchführung von Forschungsarbeiten zu CPS und gehört zu den anspruchsvollsten Bereichen, da es über Informationen, physische und soziale Merkmale verfügt. Im Straßenverkehrssystem ist der Mensch das Schlüsselelement. Alle Entwicklungen und Veränderungen des Verkehrssystems werden durch das Reiseverhalten der Menschen verursacht. Daraus ergibt sich das Problem, dass das im Verkehr eingesetzte cyber-physische System nicht nur die Integration des physikalischen Prozesses der Material- und Energieinformation, sondern auch die Integration von Informations- und Verhaltensprozessen ist. Darüber hinaus sollte die Information im cyber-physischen Verkehrssystem einen signifikanten Effekt auf das Verhalten der Reisenden haben, wenn die Interaktion zwischen physikalischen Systemen und biologischen Systemen (Mensch) durch den Informationsfluss hergestellt wird, um den Informationswert zu realisieren. Für die Straßenverkehrssteuerung kann unser CPS, das sich hauptsächlich auf die mechanischen und funktionalen Leistungen der Infrastrukturen konzentriert, den Straßenverkehr in Zusammenarbeit mit Tunnel- und Verkehrsabteilungen sicherer und effizienter machen. Auf dieser Grundlage kann die Forschung unserer Forschungsgruppe gut mit den anderen Fachbereichen der Tunnel- und Verkehrstechnik verbunden werden.

Was macht die Arbeit mit Simulationen besonders spannend?

Ich denke, das Interessanteste an der Simulationsarbeit ist, dass wir unser Wissen und unsere Vorstellungskraft voll ausschöpfen können, um virtuelle Experimente durchzuführen, die im Labor nur schwer zu realisieren sind. Im Gegensatz zur Arbeit im Labor und zu analytischen Berechnungen ermöglicht uns die Simulation, die physischen Strukturen von Straßenbelägen mit verschiedenen Größen und Materialtypen zu schaffen. Wir können beliebige Strukturen mit beliebigen Belastungen und Randbedingungen erstellen. Es fühlt sich an, als gäbe es ein ganzes Labor und eine Teststrecke im Computer, wir können beliebige Kombinationen von Materialien und Strukturen ausprobieren, ohne mühsame Arbeit zu leisten. Darüber hinaus bietet uns die Simulation tiefe Einblicke in das detaillierte mechanische Verhalten von Strukturen. In den meisten neueren Forschungen zu Asphaltmaterialien haben Wissenschaftler versucht, den Mechanismus von Asphaltbindemitteln und Zuschlagstoffen durch die Entwicklung fortschrittlicherer Laborgeräte zu untersuchen, aber sie können das tatsächliche Verhalten der grundlegenden Bestandteile in Bezug auf die realistischen Belastungen kaum bestimmen. In Simulationen können solche Probleme jedoch leicht durch die Visualisierung von Spannungs-Dehnungs-Konturdiagrammen angegangen werden. Aus globaler Sicht werden die mechanischen Leistungen effektiv bestimmt; aus lokaler Sicht werden die kritischen Reaktionen und die detaillierten Wechselwirkungen zwischen den internen Teilen deutlich dargestellt.