Bautechnik - Simulation

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Die Forschungsgruppe Simulation der Bautechnik am Institut für Straßenwesen der RWTH Aachen University richtet seinen inhaltlichen Fokus auf Maschine-Material-Interaktion bei Einbauprozessen, cyberphysische Systeme als Anknüpfungspunkt zur Prozessoptimierung und Multiskalen-Simulationen des mechanischen Verhaltens von Asphaltmischgut.

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Forschungsschwerpunkte in der Bautechnik - Simulation

Maschine-Material-Interaktion

Am Einbau von Asphaltmischgut in Fahrbahnaufbauten kommen verschiedene Maschinen und Materialien zum Einsatz. Auf das Zusammenwirken dieser Komponenten bezieht sich der Begriff der Maschine-Material-Interaktion, genauer gesagt auf die Interaktion zwischen dem Fertiger beziehungsweise dem Walzenverdichter und dem Asphaltmischgut. Während der Einbauphase verteilt die rotierende Schnecke des Fertigers das Asphaltgemisch über die gesamte Breite der Straße. In der Verdichtungsphase wirken unterschiedliche Kräfte auf die Fläche ein: Sobald die Bohlenplatte des Fertigers oder die Stahlbandage der Walze zum Einsatz kommen, wirkt erstens eine vertikale Druckkraft auf das Material, um es zu verdichten. Da die Verdichtungsmaschine sich vorwärts bewegt, entsteht zudem auch eine horizontale Scherkraft aus dem Reibungsverhalten zwischen Maschine und Material. An der Kontaktstelle zwischen den Aggregaten kann ebenfalls eine Scherkraft entstehen, die zu einer Umlagerung der Aggregate führt, was unter anderem das Volumen verringert. Diese komplexen Abläufe sind für die Entwicklung dauerhafter Fahrbahnbeläge von großer Bedeutung. Die Wechselwirkungen zwischen Maschine und Material stehen daher im Fokus der Forschung, mit dem Ziel, die Prozesse besser zu verstehen und Herstellungsverfahren zu optimieren.

Cyberphysisches System

Als cyberphysisches System (CPS) wird ein Computersystem bezeichnet, bei welchem ein Mechanismus mittels computergestützter Algorithmen gesteuert oder überwacht wird. Dabei sind sowohl die physischen als auch die Software-Komponenten eng vernetzt. Sie können auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zum Einsatz kommen: Ihre Interaktionsweise kann sich je nach Kontext ändern und entsprechend anpassen. Cyberphysische Systeme vereinen und verbinden zahlreiche Ansätze aus den verschiedensten Forschungsfeldern, wie etwa Kybernetik, Mechatronik, Design und Prozesswirtschaft.

Ein mögliches Anwendungsbeispiel cyberphysischer Systeme in der Straßenbautechnik ist die Optimierung von Einbauprozessen. Diese kann sowohl bei der Mikrostruktur der Baustoffe als auch bei den Fertigungsmaschinen anknüpfen. Ziel ist es, einen idealen Baustoff unter den bestmöglichen Bedingungen zu verarbeiten – unter Anwendung von in Echtzeit angepassten Einstellungen des Baugeräts, um ein Ergebnis von maximaler Qualität zu erzielen. Langfristig betrachtet ist eine derartige Bauprozessoptimierung durchaus denkbar, derzeit ist allerdings noch ein erhebliches Maß an Grundlagenforschung erforderlich.

Multiskalen-Simulation

Multiskalensimulation ermöglicht es, die detaillierten mechanischen, thermischen oder hydraulischen Reaktionen von Asphaltmaterialien auf verschiedenen Längenskalen zu untersuchen. Grundlagen dafür sind numerische Simulationen wie die Finite-Elemente-Methode, die Methode der diskreten Elemente und die molekulardynamische Methode. Die verschiedenen Längenskalen lassen sich von der molekularen Skala über die Nanoskala, die Mikroskala bis hin zur Makroskala definieren. Das ist von besonderem Nutzen, da sich einige signifikante Phänomene auf kleineren Skalen exakter darstellen lassen. Ein weiterer Vorteil der Multiskalensimulation liegt darin, dass sie auch Prozesse erfasst, die durch Laborexperimente nicht nachgebildet werden können. Zudem können skalenübergreifende Beziehungen hergestellt und tiefere Einblicke in das multiskalige Verhalten von Asphaltmaterialien hergestellt werden. Dies kann auch als Ausgangspunkt zur Entwicklung effektiv verbesserter Asphaltbeläge dienen.

 

5 Fragen rund um die Simulation und ihre Forschungsschwerpunkte am ISAC, beantwortet von Dr.-Ing. Pengfei Liu.