Fraunhofer ITWM auf der »SMM 2024« in Hamburg

MESHFREE simuliert hochdynamische Prozesse in der Schifffahrt

Pressemitteilung / 27. August 2024

Gemeinsam mit vier anderen Fraunhofer-Instituten präsentiert das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM seine aktuellen Forschungsergebnisse live auf der diesjährigen Weltleitmesse für die maritime Branche SMM (Shipbuilding, Machinery and Marine Technology) vom 3. bis 6. September 2024 in Hamburg. In Halle B6 am Stand 327 zeigen die Forschenden ihre Lösungen, die Reedereien, Werften, Häfen sowie Logistikdienstleister und die maritime Zulieferindustrie unterstützen.

Unter dem Motto »Excellence in Maritime Research« umfassen die Fraunhofer-Exponate eine große Bandbreite:

AR/VR-Technologien in nautischen Systemen
mobiler Schiffssimulator
Lösungen für den werkstofflichen Leichtbau für Schiffe
intelligente Werftplanungsansätze zur Flexibilitätssteigerung
innovative Simulationen hochdynamischer Prozesse und Systeme
Prozessüberwachung durch smarte, energieunabhängige Sensoren

Forschende des Fraunhofer ITWM präsentieren das Tool MESHFREE, das komplexe Abläufe mit großer Zeitersparnis und damit kostengünstig simuliert.

Digitale Zwillinge für marine Anwendungen

Simulationen und Digitale Zwillinge sind für viele Unternehmen unverzichtbar. Herkömmliche Software kommt jedoch an ihre Grenzen, wenn die abzubildenden Prozesse hochdynamisch und komplex sind. Daher haben Forschende am Fraunhofer ITWM mit dem Tool MESHFREE eine Lösung entwickelt, die ohne starres Rechengitter arbeitet und in der Lage ist, solche Abläufe schnell und damit kostengünstig abzubilden. MESHFREE-Simulationen decken ein breites Spektrum von Prozessen ab – vom Wassermanagement über Lawinen bis zu Schaumbildung. Im Schwerpunkt maritimer Anwendungen eignet sich MESHFREE besonders für die Simulation von fahrenden Schiffen und deren Interaktion mit Wellen, Tankschwappen, Spritzreinigung, Überflutung oder schwimmenden Brücken für den Katastrophenschutz.

Flexible Methode für dynamische Prozesse

Klassischerweise kommt bei Simulationen die Finite-Elemente-Methode zum Einsatz: Ingenieurinnen und Ingenieure konstruieren dafür ein Gitternetz passend für die jeweilige Geometrie und berechnen darauf aufbauend die Veränderungen in jedem einzelnen Element. Bereits das Aufsetzen der Gitterstruktur ist sehr zeitaufwändig, auch während der Simulation muss sie immer wieder angepasst werden. Die Software MESHFREE kombiniert dagegen die Generalisierte Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie mit effizienten Algorithmen zur Lösung linearer Gleichungssysteme, die vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI mitentwickelt wurden – ein gewaltiger Vorteil, denn die verwendete numerische Punktewolke ist dazu in der Lage, sich flexibel an bewegliche Geometrien anzupassen. Aufwändige Nachkorrekturen im Rechengitter entfallen. Für ihre Entwicklung, die reale Versuche ersetzen kann, erhalten Dr. Jörg Kuhnert und Dr. Isabel Michel den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024.

Mehr Informationen

Fraunhofer Waterborne auf der SMM

Die Fraunhofer-Allianz Verkehr bündelt die verkehrsbezogenen Kompetenzen ihrer Mitgliedsinstitute und arbeitet innerhalb der einzelnen Verkehrsbereiche in verschiedenen Arbeitsgruppen. Auf der SMM stellen die Institute von Fraunhofer Waterborne gemeinsam aus.

zur Website SMM 2024 (cml.fraunhofer.de)

Optimierungspotenziale in der Schifffahrt frühzeitig erkennen

Virtual Prototyping ist für maritime Anwendungen aufgrund der oft extrem großen Dimensionen von Schiffen oder einzelnen Bauteilen und der damit verbundenen Kosten unverzichtbar geworden. Viele Prozesse sind durch eine komplexe Interaktion zwischen einer Struktur und einem Fluid mit einer freien Oberfläche gekennzeichnet. »Wenn Wellen auf ein Schiff treffen und Schwappbewegungen in den Treibstofftanks verursachen, sind das hochkomplexe Abläufe,« erklärt Dr. Isabel Michel, Mathematikerin am Fraunhofer ITWM. »Mithilfe unserer MESHFREE-Simulationen können wir auch solche Vorgänge simulieren und Optimierungspotenziale bereits im frühen Entwurfsstadium erkennen.«

Hochwasser-Szenarien simulieren und Risiken identifizieren

Eine weitere Anwendung von MESHFREE sind Überflutungsszenarien. »Es stehen immer mehr 3D-Geometriedaten von Städten zur Verfügung – einschließlich Häuser und Gelände,« so Dr. Jörg Kuhnert, Leiter des MESHFREE-Teams am Fraunhofer ITWM. »Unsere Software MESHFREE unterstützt die gängigen Datenformate und das Tool kann in wenigen einfachen Schritten ein Überflutungsszenario simulieren. So können wir Gebiete mit hohem Überschwemmungsrisiko identifizieren und die Kräfte analysieren, die auf die Strukturen wirken.«

Video zur MESHFREE-Software

Preisgekröntes Software-Tool

MESHFREE begegnet einer Vielzahl von Herausforderungen der Industrie äußerst erfolgreich und greift damit Bedarfe der Wirtschaft auf, die dringend eine Simulationslösung erfordern. Sowohl der Mittelstand als auch große Unternehmen nutzen die Technologie inzwischen für ihre Fragestellungen. Dafür wurde das Team um Dr. Jörg Kuhnert und Dr. Isabel Michel mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 ausgezeichnet. Kriterien für die Auszeichnung mit dem Forschungspreis sind unter anderem die Neuartigkeit des wissenschaftlich-methodischen Ansatzes, der Erkenntnisfortschritt und die Umsetzung der wissenschaftlichen Ergebnisse in die Anwendung.

MESHFREE Use Cases – Maritime Industrie

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Flooding Scenarios

Hochwasser-Szenarien

Es sind immer mehr 3D-Geometriedaten von Städten verfügbar – inklusive Häuser und Gelände. Unsere Software MESHFREE unterstützt die gängigen Datenformate, das Tool kann mit wenigen Handgriffen ein Überflutungsszenario simulieren. So können Nutzende mit MESHFREE Gebiete mit hohem Überflutungsrisiko identifizieren und die auf die Bauwerke wirkenden Kräfte analysieren.