Dossier über die Forschung der BIONIC RESEARCH UNIT der Beuth Hochschule für Technik Berlin

Inhalt:

I DieBIONICRESEARCH UNIT

II Initiierte Forschung sei 2004

III Rezente Vorhaben und Perspektiven für eine zukünftige Forschung

IV Beschreibung zukünftiger Vorhaben

I INTRO.

Die Idee einer die Fachbereiche der Technischen Fachhochschule Berlin übergreifenden Forschungsgruppe für das Themenfeld „Bionik" stammt aus den späten 90er Jahren d.v.Jh. Anfangs von Prof. Bernd (FB V, Verpackungstechnik) als interdisziplinäres An-Institut der Technischen Fachhochschule, später als auszugründende GmbH geplant, standen hochschul­interne Interessenkonflikte und Auflagen der Senatsverwaltung der Gründung einer Forschungseinrichtung für das Wissensgebiet der Bionik lange im Wege. Erst im Jahre 2004 wird die BIONIC RESEARCH UNIT, nunmehr als Fachgruppe für forschungsbezogene Bionik an der Technischen Fachhochschule Berlin, (später Beuth Hochschule für Technik Berlin) von Professoren des Fachbereichs FB VIII ins Leben gerufen¹. Die Gründungsmitglieder der Fachgruppe sind Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Kleinschrodt (Leiter der Fachgruppe), Prof. Dr. Dieter Korschelt, Prof. Dr.-Ing. Justus Lackmann, Prof. Dr.-Ing. Maria Loroch, Prof. Dr. Frank Mirtsch, Prof. Dr.-Ing. Joachim Villwock, Matthias Voss und Michael Dienst (Sprecher der Fachgruppe). Die BIONIC RESEARCH UNIT nimmt noch im laufenden Wintersemester 2004/05 ihre Arbeit auf; den Auftakt bilden eine Vortragsreihe und ein erstes Forschungs- und Kooperationsprojekt mit einem regionalen Industriepartner. Im darauf folgenden Frühjahr erfährt die BIONIC RESEARCH UNIT mit einen eigenen Stand bei der Industriemesse Hannover 2005 Aufmerksamkeit über die Grenzen der lokalen Wissenschaftslandschaft hinaus.

Die Präambel der neuentstandenen Forschungseinrichtung überzeugt auch heute noch - mehr als zehn Jahre nach ihrer Gründung - durch Aktualität. Ich möchte an dieser Stelle auszugsweise zitieren² :

Die Bionik ist eine in die Zukunft weisende, interdisziplinäre Wissenschaft. Sie erfreut sich als Lehrgebiet an der Beuth Hochschule für Technik Berlin bei den Studierenden einer außergewöhnlichen Beliebtheit. Die Bionik wird seitens der Industrie, der Wirtschaft und der bundesdeutschen Bildungs- und Forschungspolitik als eine der Schlüs­selkompetenzen der folgenden Dekade angesehen. Den hohen Erwartungen an diese junge Wissenschaft trägt die Beuth Hochschule für Technik Berlin mit der Einrichtung einer, im besonderem Maße auf Bionik-Forschung fokussierten Fachgruppe für Bionik, der Bionic Research Unit Rechnung.

BIONIK. Für eine moderne Gesellschaft. Als Ausweg aus diesem Dilemma wird auf politischer Ebene eine nachhaltige, das heißt wirtschaftlich leistungsfähige, sozial gerechte und ökologisch verträgliche Entwicklung gefordert. Dies bedeutet nicht die Abschaffung von Technik, sondern Innovation und Integration. Es bedeutet die Optimierung von Technologie und Produkt im Einklang mit der Natur. Was liegt da näher, als die Natur selbst zum Vorbild für moderne, nachhaltige Technik zu nehmen?

BIONIK. Heute. Die Wissenschaft der Bionik entschlüsselt Methoden und Prinzipien der Natur mit dem Ziel, Technik ökologisch verträglich und ergänzend zu formulieren. Bionik macht Technik und Bionik bewertet Technik mit den Instrumenten der Biosystemanalyse. Evolution und Genese von Technik, Technikfolgen und die Interaktion mit dem Nutzer sind Gegenstand der Lehre und Forschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin.

BIONIK. Zukunft. Die Entwicklung moderner, nachhaltiger Produkte zielt darauf, Qualität, Material- und Energieaufwand, Zeiten und Kosten der gesamten Prozesskette der Produkterstellung zu optimieren. Wir sehen den Bedarf an Bionik in den Planungsbüros der fertigenden Betriebe und den Ideenschmieden, den Think-Tanks. Es besteht Bedarf an gut ausgebildeten, kreativen und schöpferischen Produktentwicklern. Die Ausbildung derart poietischer Persönlichkeiten ist unser oberstes Ziel.

BIONIK. Wissen schaffen. Wir wollen Wissen was geschieht. Die wissenschaftliche Analyse des natürlichen Systems ist eine Voraussetzung für die Entschlüsselung physikalischer, chemischer und informations-technischer Effekte. Erst auf der Ebene der Funktions- und Wirkstrukturen biologischer und technischer Systeme gelingt der Transfer von der Natur in das Produkt.

BIONIK. Methoden. Ein Schwerpunkt der Bionik-Forschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin ist die Entwicklung einer Methodik zur Übertragung natürlicher Phänomene auf technische Systeme. BIONIK ENGINEERING öffnet die klassische problemorientierte Produktentwicklungsmethodik für zukunfts-weisende Konzepte zum Transfer optimaler Wirkprinzipien auf künstliche Systeme.

BIONIK. Transfer. Die Erstellung moderner Produkte ist ein komplexer, zeitkritischer Prozess. In der "frühen Phase" der Produktentwicklung besteht Bedarf an authentischen und kompetent vorgetragenen natürlichen "Lösungsprinzipien". Wir sind Ansprechpartner für Industrie und Mittelstand und leisten in einer Brückenkopffunktion den Transfer von Wissen in die Praxis, von der Natur in das Produkt.

BIONIK. Interdisziplinär. Die Bioniker der Beuth Hochschule für Technik Berlin sind auf Messen, Kongressen und Symposien präsent und kooperieren mit zahlreichen überregionalen Forschungseinrichtungen und Hochschulen.

II INITIIERTE FORSCHUNG. Seit 2004 strebt die BIONIC RESEARCH UNIT forschungsmittel-geförderte, hochschuleigene und kooperative Forschungs­und Entwicklungsprojekte an zu Themen der an technischer Anwendung orientierten Bionik und unter den besonderen Aspekten einer systematischen Produktentwicklung und Designmethodik, der Untersuchung der biologischen Muster- und Gestaltentstehung, der Adaption und Selbstorganisation in der Technik, der Entwicklung von Verfahren zur Modellierung, Simulation und Berechnung komplexer Systeme aus den Gebieten der Strukturmechanik (FEM), Fluidmechanik (CFD) deren Kopplung in einem gemeinsamen Ansatz (Fluid-Struktur-Interaktion, FSI) sowie der computergestützten Optimierung technischer Systeme nach dem Vorbild der biologischen Evolution.

Die Mitglieder der BIONIC RESEARCH UNIT sind regelmäßig auf Tagungen, Messen und Symposien präsent und bei Informationsveranstaltungen und Projektwochen in Schulen und anderen Bildungseinrichtungen in Berlin und überregional aktiv. Es existieren vitale Kontakte zum Bionik-Kompetenz­Netzwerk BIOKON-international und zu der Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik (GTBB). Ich selbst arbeite derzeit nebentätig als Dozent für Bionic Engineering am Industrial Design Institut der FH Magdeburg.

Die Idee der BIONIC RESEARCH UNIT ist das Initiieren, Projektieren und Betreuen von Forschung zur Bionik und im Vorfeld dieser Vorhaben das

Einwerben erforderlicher Mittel für Personal, Infrastruktur, Hard- und Software und notwendigem Gerät. Personalmittel wurden ab 2004 für voll- und teilzeitig eingestellte Wissenschaftliche Mitarbeiter und studentische Hilfskräfte verwandt.

Aus heutiger Sicht und im Rückblick auf zehn Jahre erfolgreicher Bionikforschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin kristallisiert sich eindeutig ein Themenschwerpunkt heraus: Die Vorhaben der BIONIC RESEARCH UNIT behandelten primär Fragen zur so genannten „Intelligenten Mechanik" in Natur und Technik. Anfangs wurden biologistischen Hintergründe geklärt, an der Wirkungsweise von Fischflossen die prinzipielle Lösung für ein autoadaptive Tragflächen herausgearbeitet und erste intelligente Kinematiken entworfen (Forschungsprojekt „FlowBow" / Laufzeit 09/2004 bis 08/2005 (Mirtsch 2005)), die numerische Grundlagen erarbeitet (Forschungsprojekt „i-mech,", Laufzeit 10/2007 bis 04/2008 (Krebber 2008)) und einfache Systeme mit Fluid-Struktur­Wechselwirkung untersucht (Forschungsprojekt „Bionics and Morphological Computation (BMC)", Laufzeit 09/2008 bis 02/2010 (Sievert 2010)). Im Rahmen des Kooperationsprojektes „Hochschulbasierte Weiterbildung in Betrieben" wurden numerische Verfahren der Simulation strömungsadaptiver Profile weiterentwickelt (Forschungsprojekt „i-mech3", Laufzeit seit 02/2011 bis 08/2013 (Voss 2012), (Voss-2013), (Bagaric 2011)) und in einem weiteren Forschungsprojekt auf Repellertragflächen für Wellsturbinen angewendet (Forschungs-projekt „AdaptivFoil" Laufzeit 05/2012 bis 10/2013 (Ost 2013)). Ein rezentes Kooperations-Forschungsprojekt mit der Technischen Universität Berlin (Forschungsprojekt „FinTec" / Laufzeit seit 10/2013) behandelt im Rahmen einer von der BeuthHS geführten kooperativen Promotion den Einsatz intelligenter Mechanik in Nachleitapparaten von Strömungskraftmaschinen. In einer rezenten Industriekooperation mit dem Germanischen Lloid DNV-GL, erforschen wir den Wellenwiderstand modellierter, biologischer Halbtaucher mit potentialtheoretischen Methoden (Forschungsprojekt „Into FS-Flow" / Laufzeit seit 3/2014). Allen genannten Projekten ist als übergeordnetes Ziel die Klärung des Beaufschlagungs- Verformungsgebarens intelligenter Kinematiken in der Biologie und der Fluid-Struktur-Wechselwirkung strömungsbeauf­schlagter technischer Systeme gemein. Im Zuge der Forschung zur „intelligenten Mechanik" biologischer und technischer Systeme wurden seit 2004 der BeuthHS zahlreiche Erfindungen (gemäß ArbnErfG) angezeigt und einige davon als Patente oder Gebrauchsmuster angemeldet. Das Deutsche Patent PTC/DE2010/075164, das Europäische Patent EP:10809144.8, das US Patent US-Pat.13/517,181 und das Internationale Patent WO: PCT/DE2010 /075164, IPC: B63H (2012.01) beschreiben die Gestaltungsprinzipien belastungsadaptiv ausgeführter Bauteile (Dienst 2012). Das Gebrauchsmuster GM 20 2009 008 234.2, IPC F01D 5/28 (Dienst 2009) hat adaptive kinematische Segmente für bewegliche Statorschaufeln von Vorleitapparaten in Strömungs­maschinen zum Inhalt und erweist sich derzeit als richtungsweisend für die Kooperation mit dem oben benanntem Promotionsvorhaben an der Technischen Universität Berlin. Das Gebrauchsmuster GM 20 2010 003 723.9, IPC A61F 5/02 ist eine biomedizinische Anwendung für belastungsadaptive, flexible Bauelemente zur Integration in medizinischen Orthesen (Dienst 2010).

Einige der Aufsätze, Veröffentlichungen und Anmeldungen der BIONIC RESEARCH UNIT erwiesen sich in der Vergangenheit als fachübergreifend relevant für die Forschung anderer Institute.

Die nachfolgende Bibliographie betrifft in erster Linie Veröffentlichungen der Mitarbeiter aus den über Drittmittel geförderten Projekten der BIONIC RESEARCH UNIT und des weiteren Beiträge aus meiner Tätigkeit im Zusammenhang mit der Bionikforschung im Hause.

Publikationen und Patente der BIONIC RESEARCH UNIT (Auszug).

Bagaric, B. (2011). Modellierung, Simulation und Parametrisierung eines virtuellen Strömungskanals mit dem Programmsystem FS-Flow. Untersuchung typischer Szenarien endlicher Tragflügel.

Bachelorarbeit a.d. BeuthHS Berlin (082011).

Krebber, B. (2008) "i-mech". Untersuchung der intelligenten Mechanik von Fisch-flossen mit Hilfe von

FSI- Simulation. Forschungsbericht der Technischen Fachhochschule Berlin 2007/08

Krebber, B., Kleinschrodt, H.-D. und Hochkirch, K.: (2008) Fluid-Struktur­Simulation zur Untersuchung

intelligenter Mechanik von Fischflossen. ANSYS Conference & 26. CADFEM

Users' Meeting, ISBN-3

937523-06-5

Mirtsch, F., Dienst, Mi. (2005) Artifizielle adaptive Strömungskörper nach dem Vorbild der Natur.

Forschungsbericht 30042005. Kinematiken und Gestaltungsprinzip. For­schungsberichte der Technischen Fachhochschule Berlin.

Ost, S., Kleinschrodt, H.-D., (2013) Adaptiv Foils, in: Nachhaltige Forschung in Wachstums-bereichen, Bd.4, Mensch und Buch Verlag, Berlin ISBN 978-3­86387-392-9

Siewert, M; Kleinschrodt, H.-D.(2011) Bionical Morphological Computation. In: Nachhaltige

Forschung in Wachstumsbereichen Bd.1, Logos Verlag Berlin.

Siewert, M; Kleinschrodt, H.-D.; Krebber, B; Dienst, Mi. (2010) FSI- Analyse auto-adaptiver Profile für

Strömungsleitflächen. In: Tagungsband, ANSYS Conference & 28th CADFEM Users' MeetingAachen 2010.

Voß, M., H.-D. Kleinschrodt, H.-D., (2013) 3D-Fluid-Struktur-Interaktion symmetrischer Profile mit

Innenstrukturierung. ANSYS Conference & 31. CADFEM Users' Meeting, Juni

2013, Rosengarten

Mannheim.

Voß, M., H.-D. Kleinschrodt, H.-D., (2012) Fluid-Struktur-Interaktion flexibler Tragflügel-profile nach

dem Vorbild der belebten Natur. ANSYS Conference & 30. CADFEM Users' Meeting, Oktober 2012,

Kongress Palais Kassel, 32 S., ISBN 3-937523-09-X

Voß, M., H.-D. Kleinschrodt, H.-D., (2012) Zwei-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion mit OpenFOAM, Tagungsband. Jahrestreffen der Fachgruppen Computational Fluid Dynamics und

Fluidverfahrenstechnik. März 2012, Weimar.

III REZENTE FORSCHUNGSVORHABEN UND ZUKUNFTSPERSPEKTIVEN:

Die BIONIC RESEARCH UNIT führt derzeit keine über Drittmittel finanzierten Forschungsvorhaben durch. Die rezenten Aktivitäten dienen aber der Vorbereitung zukünftiger Projekte. Avisierte Vorhaben sind nach Forschungslinien oder Projektfamilien geordnet, sofern dies möglich ist und sinnvoll erscheint.

Tabelle 1 listet die Linienprojekte, Tabelle 2 avisierte Vorhaben mit starkem Alleinstellungsmerkmal. Vorhaben einer Forschungslinie sind potentiell aufwändig, sollten arbeitsteilig konzipiert werden und greifen auf einen gemeinsamen Kern zurück. Dieser Kern kann eine gemeinsame Forschungsabsicht sein (z.B. bei MuLAB) und/oder die Konzentration umfangreicher Vorarbeiten von generalem Inhalt und Thema (z.B. CARPO). Allen derzeit angedachten Vorhaben ist der Zugriff auf eine Schar gemeinsamer Methoden und ein deutlicher Bezug zur Strömungsmechanik gemein. Letzteres ist dem Portfolio der zurückliegenden Forschung geschuldet. Es ist außerdem von Bedeutung, dass jedes Projekt Schnittmengen mit anderen Vorhaben besitzt.

Dieses Dossier soll berichten über die derzeit erkennbaren Potentiale der BIONIC RESEARCH UNIT und auszuloten, mit welchen zukünftige Forschungsaktivitäten sich die Fachgruppe erfolgversprechend beschäftigen könnte; dies immer vor dem Hintergrund abschöpfbarer Vorleistungen. Einige Forschungskontakte sind zu Industrie- und Hochschulpartnern vital, andere schlafen derzeit, sollten aber rasch zu beleben sein. Wieder andere Kontakte bestehen zwar, eine tragfähige Forschungskooperation wird aber nicht ohne unsere Vorleistungen zu haben sein. Die avisierten Vorhaben besitzen praxisorientierte Inhalte aber auch grundlegende Forschungsfragen was vor dem Hintergrund der forschungspolitischen Ausrichtung unserer Hochschule zu Konflikten führen kann.

In diesem Aufsatz werden in Tabelle 1 die Linienprojekte und in Tabelle 2 die singulären Projekte benannt und anschließend Informationen zusam­mengetragen, aus denen auch die Fortschritte in den Teilvorhaben hervorgeht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

IV Beschreibungen der einzelnen Projektvorschläge

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

FlowLAB. Open Source Algorithmen für Struktur- und Strömungs­simulation.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

VTT. Der virtuelle Schlepptank (Virtual Towing Tank)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

i-mech. Modellierung und Analyse belastungsadaptiver Bauteile

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

CARPO. Modellierung und Analyse belastungsadaptiver Bauteile

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

CASTO.furelets. Strömungsphänomene bei Fell

und an komplexen artifiziellen Oberflächen.

CASTO.Manöver. Real-Prozess-Rechnung für Strömung über Polstoffen

Strömungs-Prozess-Rechnung für transversale Krafttragflächen bei kleinen Reynoldszahlen.

WSP Fluidmechanische Wirbelspulen.

Grundlagen, Theorie, Simulation und Berechnung stationärer Wirbelspulen.

statoWELLS. intelligente Mechanik für Statoren in Wellsturbinen.

Modellierung und Simulation der Strömung an Vor- Nach- und Stufenleitapparaten mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung und intelligenter Mechanik für Wellsturbinen.

i-mech.RPT Bauteile mit intelligenter Mechanik aus dem Drucker.

Gestaltung belastungsadaptiver dreidimensionaler belastungsadaptiver Bauteile. Entwurf, Konstruktion, Modellierung und rechnerische Verifikation innenstrukturierter Bauteile mit intelligenter Mechanik.

MuLAB. Das Museum als Labor für maritime Zukunftstechnik

Schiffe spielen eine bedeutende Rolle in der Geschichte der Kulturen der Welt. Die Vergangenheit spannt ein gigantisches Feld räumlich-zeitlich verschränkten Wissens über maritime Technik auf, das - gesammelt in den Museen der Welt, mit ihren Exponaten und den Erinnerungen aus den Kulturen - Optionen auf Zukunftstechnik darstellen. Die Idee des Projekts MuLAB ist der Transfer von Sammlungsobjekten in maritime Zukunftstechnik. Für den erfolgreichen Transfer bedarf es spezifischer Produktentwicklungsmethoden.

MuLAB.Methoden: Transfer-Methoden der industriellen Produktentwicklung und computer-basierten Analyse- und Simulationsverfahren.

Oftmals existieren Hintergrundinformationen, Materialbestimmungen, archäologische Daten, Altersanalysen und Ergebnisse ergologischer und typographischer Untersuchungen. Diese Informationen reichen für einen unmittelbaren Transfer von Sammlungsobjekten in Zukunftstechnologien oftmals nicht aus oder liegen in einer für den Produktentwickler ungeeigneten Form vor. Es besteht daher der Bedarf, das existierende Faktenwissen zu strukturieren und zu ordnen, mit tradierten, gegebenenfalls eingeübten Verfahren die beobachtbaren Wirkmechanismen physikalisch beschreib-bar zu machen, Funktionshypothesen aufzustellen und deren Tragfähigkeit zu überprüfen mit dem Ziel, die Voraussetzungen für einen erfolgreichen Transfer herzustellen.

Arbeitsergebnisse sind primäre spezifische Produktentwicklungsmethoden für den Transfer und Handbücher für die praxisorientierte Anwendung, Computermodelle und materielle Objekte, Technik- und Technologie­Demonstratoren und gegebenenfalls Konzepte für innovative exempla-rische Produkte.

MuLAB.CC-Rigg: Das Rigg polynesischer Segelkanus als Vorbild für innovative Surf-Segel.

Die Inselwelt des pazifischen Kulturraums von Hawaii im Norden, der Küste Südamerikas im Osten, dem Indischen Ozean im Westen und Neuseeland im Süden wurde von den Polynesiern besiedelt und über drei Jahrtausende mit einfachen Segelkanus sicher befahren. Deren über Jahrhunderte erfolgreiche Riggs sind die so genannten Krabbenscherensegel (Crab Claw Rigg).

Das Vorhaben MuLAB.CC-Rigg lotet das Potential dieser Segelform in Hinblick auf einen Transfer in zeitgemäße Yacht- und Sportgerätetechnik aus. Dabei kommt einer Phänomenologie und der numerischen Analyse der komplexen,

Bionkforschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin stationären und nichtstationären Strömungsvorgänge eine bedeutende Rolle zu.

Arbeitsergebnis soll ein materieller Technik-Demonstrator (Surf-Segel) sein.

MuLAB.Paddel: Analyse der Wirkungsweise von Kajakpaddel der Grönland- und Alaska-Eskimos. Entwickeln von Technik- und Technologie-Demonstratoren (experi-mentelle Archäologie).

Man kann ein Eskimopaddel im Internet bestellen und erhät eine - meist in liebevoller Handarbeit gefertigte - Replik, die äußerlich tatsächlich dem Museums-Sammlungsobjekt gleicht. Erst eine detailliertere Analyse des Alask- Paddels fördert erstaunliche physikalische Merkmale dieser gar nicht so simplen Konstruktion hervor und führt auf eine komplexe Funktionshypothese. Arbeitspackete sind (1) Computermodelle über die Kinetik der Paddel, (2) ein Strömungs- und (3) ein Prozessmodell für den Betrieb. (4) Ein materieller Technik-Demonstrator ist zu entwerfen und zu bauen (experimentelle Archäologie). Eine besondere Herausforderung ist die Materialauswahl in den Gestaltungsdetails. Eine spezifische Sensor-, Mess- und Übertragungstechnik (Beschleunigung, Bahnverfolgung) soll für Feldversuche geeignet sein.

MuLAB.Yuloh: Konstruktion und Wirkungsweise asiatischer Wriggpaddel analysieren und als Vorbild nutzen für hybride Hilfsantriebe von Seefahrzeugen.

Das asiatische Yuloh war - als der tradierte (Hilfs-) Antrieb chinesischer Dschunken und Sampas - im gesamten asiatischen Raum verbreitet (z.B. als Ro in Japan) und fand auch als Hilfsruder auf polynesischen Proas Anwendung. Im Westen sind in den Museen nur maßstäbliche Modelle zu sehen, die keine Detaildarstellungen zulassen. Nachbauten (Repliken), Weiterentwicklungen und Skalierung auf andere Schiffstypen sind bisher wenig erfolgreich geblieben. Eine neuartige Vorgehensweise bei der Analyse von Sammlungsobjekten ist die noch junge „Computerexperimentelle Archäologie". Hierzu könnte das Vorhaben MuLAB.Yuloh einen Beitrag leisten und setzt genau hier an: Erste eigene Voruntersuchungen zu Yulohs mit Computermodellen legen den Schluss nahe, dass ein großes Entwicklungspotential in der Profilauswahl und der (Betriebs-) Prozessführung zu erwarten ist. Für die erforderlichen Reihen­untersuchungen sind die numerischen Methoden zu verfeinern.

Eine weitere Aufgabe im Projekt wird sein, Bedingungen und Einsatzmöglichkeiten so genannter „Fluid Muscles" für Hybridantriebe auszuloten.

FlowLAB. Open Source Algorithmen für die Struktur- und Strömungssimulation.

ln den Naturwissenschaften und in der Technik sind es fluidmechanische Fragestellungen, die sowohl einen hohen strukturellen Aufwand (Windkanäle, Strömungsmessstrecken), ausgefeilte numerische Methoden (Strömungs­simulation, Computational Fluid Dynamics, CFD) als auch eine sehr hohe theoretische Sachverständigkeit aller Beteiligten fordern. Die numerische Strömungsmechanik ist eine Schlüsselkompetenz in der Ingenieurausbildung. Der Einsatz professioneller CFD-Software trägt diesem Anspruch Rechnung. Gerade in den frühen Semestern scheint jedoch das von den Studierenden als „gesichertes Wissen Anerkannte" und das durch die abrufbare „gefühlte Lösungsautorität der Computerprogramme Vermutete" auf unterschiedlichen Kontinenten zu liegen. Im avisierten Vorhaben FlowLAB soll eingedenk langjähriger Erfahrungen mit Ingenieur- und Designnovizen eine sich selbst erklärende ingenieurdidaktisch kluge Experimentierplattform für Strömungssimulation und Berechnung erarbeitet werden.

Die Bausteine dieser Plattform sollen frei verfügbare Computersprachen und frei verfügbare skriptfähige Simulationsprogramme zur Strukturberechnung und zur Strömungsmechanik sein. Von wissenschaftlicher Relevanz für die Hochschule sind dabei solche Algorithmen, die sich in projektspezifische Umgebungen einbetten lassen.

Bei den verwendeten Strömungslösern sollen potentialtheoretische Verfahren und Panel­ methoden zum Einsatz kommen. In Kombination mit schnellen Strukturlösern (beispielsweise nach der Elastischen Theorie) sind die Algorithmen in FlowLAB für den Benutzer sinnfällig, als Code nachvollziehbar und im praktischen Einsatz sehr schnell arbeitend.

Der selbst unter den gitterlosen Verfahren schlechte Ruf der Potentiallöser (man spricht von „FreakSolver", „junk-CFD") gründet in der für wissenschaftliche Ansprüche nicht hinreichenden Abbildung der physikalischen Realität. Bei manchen Survey-Kampagnen, Machbarkeitsstudien oder Voruntersuchungen, wie si in der anwendungsorientierten Bionik täglich Vorkommen sollte eine (beschreibbare) Unschärfe in der physikalischen (Wechsel-) Wirklichkeit wissentlich in Kauf genommen werden können.

FlowLAB.Kennfeld Variationen und Reihenuntersuchungen an ausgesuchten Strömungskörpern.

Im Lehrbetrieb, aber auch in der an Anwendungen orientierten Forschung und im praktischen Betriebsalltag, beispielsweise in der Mechatronik, der Mensch­Maschine-Interaktion oder des Interface-Designs spielen Kennfelder aus Reihenuntersuchungen eine zunehmend wichtige Rolle. Die messtechnische Erstellung oder auch die Erzeugung der enorm hohen Datenmengen in Computermodellen bindet bei mehrdimensionalen Kennfeldern entsprechende Ressourcen. Junk-CFD als Berechnungskern ist durchaus in der Lage, innerhalb weniger Stunden systematische Variationen an einem Tragflügelprofil in lOOXlOO-Kennfeldern abzulegen. Automatisierungen dieser Größenordnung fragen jedoch im Umfeld des physikalischen Modells betriebsharte, robuste Algorithmen nach, die im Teilvorhaben FlowLAB.Kennfeld zu erarbeiten sind und die es zu validieren gilt. In Besitz dieser Software können diese vielen (undankbaren) Jobs angenommen werden, die eine anwendungsorientierte Forschung erst ermöglichen.

FlowLAB.EVO Optimierungsumgebung für Strömungsaufgaben.

Im Teilvorhaben FlowLAB.EVO soll eine Optimierungsumgebung für Strömungsaufgaben erarbeitet werden. Vorbild der Strategie ist die biologische Evolution. Synthetische Evolutionäre Algorithmen wenden das Schema der biologischen Evolution auf mathematisch modellierbare Optimierungs­aufgaben an und sind lokale Suchverfahren für komplexe, hochdimensionale Qualitätenräume. Der Code Evolutionärer Algorithmen ist in der Regel sehr kompakt.

Arbeitsergebnis im Vorhaben FlowLAB.EVO sind Algorithmen zur auto­matisierten Optimierung und Konditionierung von Modellen ausgesuchter (einfacher) Strömungsbauteile, wie etwa Profilkonturen oder Aufgaben­stellungen aus der Statik. Den Berechnungskern bilden Struktur-berechnungen nach der elastischen Theorie und Strömungsberechnung mit Junk-CFD. Mit einer Optimierungsumgebung wird das physikalische Modell zu einem automatisierbarem Berechnungssystem ergänzt, das in der Lehre und in der anwendungsorientierten Forschung verwendet werden kann.

FlowLAB.RAPR Reale- Arbeits- Prozess- Rechnung für komplexe Strömungsaufgaben.

Bei der Untersuchung von Kennfeldern werden Geometrievariationen, Strömungs- und Verfahrens-randbedingungen systematisch nach Gradienten­methoden erzeugt, geordnet, gehegt und dargestellt. Modelle Reale Kraft- und Arbeitsprozesse erfordern hingegen eine Aneinanderreihung sich (quasi­kontinuierlich) ändernder Strömungsrandbedingungen, Geometrien oder Verfahrensrand-bedingungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Besitz von realitätsnahen Verfahrens-, Belastungs-, oder Geometrieänderungs-Szenarien können beispielsweise dynamische Kräfte und Belastungen, Energie-Einkopplungs- oder Energie-Entkopplungs-Prozesse untersucht werden. Die Ergebnisse einer Real- Arbeits- Prozess- Rechnung können als Integral- und Mittelwerte den Daten (auch externer) messtechnischer Untersuchungen gegenübergestellt werden.

FlowLAB.FSI Fluid-Struktur-Wechselwirkung mit gitterlosen Verfahren.

Gegenstand der Forschung ist die Untersuchung von Strömungskörpern, die sich unter fluidischer Last verformen. Bei der Untersuchung stark flexibler Körper in der Strömung stoßen die bekannten Finiten Untersuchungsmethoden der Strömungs- und Struktursimulation allein jeweils an ihre Grenzen. Die heute zur Verfügung stehende, bilaterale Kopplung zwischen den Simulationsmethoden der Computational Fluid Dynamics (CFD) und der Finite Elemente Methode (FEM) in kommerziellen Programmsystemen (etwa ANSYS/CFX) eröffnet grundsätzlich die Möglichkeit, ein Verformungs­gleichgewicht in der Strömung zu simulieren. Die Lösungen von Körperverformung und Strömungsgebiet werden dazu in einem gemeinsamen Simulationsansatz (fluid structure interaction, FSI) miteinander gekoppelt. Bei FSI-Verfahren werden zunächst die Druckwirkungen des Strömungsfeldes als

Randbedingungen auf die Oberfläche des Strukturmodells interpoliert. Die sich daraufhin einstellende Verformung des Körpers ändert die Geometrie für das Strömungsfeld, so dass das dynamische Gleichgewicht der zwischen Struktur und Strömung in mehreren Iterationsschritten bestimmt werden muss. Der Zeitaufwand für eine vollständig auskonvergierte FSI-Berechnung mit finiten Verfahren wird heute - auch mit moderner Software- und Rechnerverfügbarkeit - in Stunden angegeben und ist Forschungs-Absicht des Vorhabens FlowLAB.FSI. Gegenstand der Untersuchung sind zunächst einfache, zweidimensionale Profilkonturen. Begonnen wird (1) mit der Kontur des Profils einer elastischen, ebenen Platte. (2) Standards: Mit finiten FEM/CFD-Verfahren gut untersuchte Benchmark-Fälle (z.B. die TUREK-Kontur). Grundsätzlich sollen auch (3) beliebige opake, nicht-innenstrukturierte Profilkonturen darstellbar sein. Arbeitsergebnis sind Algorithmen für die Körperverformung nach der Elastischen Theorie, die Einbettung eines Potentiallösers für die

Strömungsberechnung und Algorithmen für die (sukzessive) iterative Kopplung von Fluid- und Strukturberechnung und Reihenuntersuchungen in automatisierter Umgebung. Die Berechnungsergebnisse (und Berechnungs­zeiten) werden denen anderer Projekte gegenübergestellt.

VTT. Der virtuelle Schlepptank (Virtual Towing Tank) zur Simulation autoadaptiver, Wellen generierender Teiltaucher

Die avisierte Forschung betrifft die Untersuchung strömungsmechanischer Phänomene von flexiblen, belastungsadaptiven Tauch- und Schwimmkörperstrukturen hinsichtlich intelligenter Kinematik mit numerischen Methoden und dem Ziel, Regeln für Konzepte, Entwürfe und Konstruktionen innovativer Transportlösungen zu erarbeiten. VTT zielt auf numerische Verfahren, die das Schwimm-, Bewegungs- und Wellenadaptionsverhaltens biologischer und technischer Teiltaucher in einem virtuellen Strömungskanal beschreiben und quantitativ auswerten. Das konkrete Ziel des Vorhabens ist die Beschreibung, Modellierung und Simulation der Fluid- Struktur­ Wechselwirkung biologischer und technischer Modellkörper beim Voranschwimmen und beim Manövrieren an der Phasengrenze der freien Wasseroberfläche. Das Forschungsprojekt ist insofern einzigartig, dass computerbasierte Analyse- und Berechnungssystem, welche das gleichzeitige Generieren sowie das Adaptieren eines Wellensystems an der freien Wasseroberfläche durch eine Störkontur simulieren, derzeit nicht Stand der Technik sind. Der virtuelle Strömungskanal „VTT" ist deshalb eine methodische und simulationstechnische Innovation, die interdisziplinär und

Bionkforschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin fachgebietsübergreifend Lösungen sowohl für die wissenschaftliche Biosystemanalyse als auch für die Entwicklung zukünftiger maritimer Technik anbietet.

VTT.intoFS-Flow Standardaufgaben mit dem Simulations-Programm­ System FS-Flow.

Einarbeitung in FS-FLOW. Mit dem Programmsystem FS-FLOW stellt der Forschungspartner FutureShip/DNV-GL Potsdam einen effektiven Code zur Simulation von Außenströmungen zur Verfügung. FS-Flow arbeitet nach der Potentialtheorie und ist ein so genannter Panel-Code, der für reibungs- und rotationsfreie Strömungsprobleme angewandt wird. Mit dem Panel-Code FS- FLOW sind die Berechnungszeiten für das Strömungsgebiet im Vergleich zu einem konventionellen CFD-Löser extrem kurz. Damit ist das Verfahren attraktiv für Untersuchungen hochkomplexer Qualitätslandschaften bei denen in möglichst kurzer Zeit eine Vielzahl von Berechnungsiterationen erforderlich sind. Hochschule und Industriepartner streben im Vorhaben „Virtual Towing Tank (VTT)" die Weiterentwicklung eines anwendungsoffenen, praxisorientierten Softwaresystems an. Ein Arbeitsergebnis ist das Handbuch zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung von Wellen generierenden Teiltauchern in einem virtuellen Schleppkanal.

VTT.RIGIDE Starre Halbtaucher-Systeme im virtuellen Schlepptank.

Modellierung geometrisch einfach gestalteter Halbtaucher-Systeme mit einem CAD-Oberflächengenerator (Rihno, MultiSurf). Simulation von Tauch- und Halbtauchversuchen. Die Halb-tauchersysteme sind als starr anzusehen. Es werden Reihenuntersuchungen über Geometrie-variationen, Strömungs- und Verfahrensrandbedingungen systematisch nach Gradientenmethoden erzeugt und zu Kennfeldern geordnet.

VTT.MORPH Verformbare Halbtaucher-Systeme im virtuellen Schlepptank.

Das Teilvorhaben VTT.MORPH behandelt die Modellierung geometrisch einfach gestalteter Voll- und Halbtaucher-Systeme mit einem CAD-Oberflächen- generator (Rihno, MultiSurf), sowie die Simulation und Analyse des Verformungsverhaltens mit einem Strukturlöser nach der Finite Element Methode (FEM) bei komplexer freivariabler Beaufschlagungsverteilung an der Bauteiloberfläche. Der Strukturlöser kann ein frei verfügbares FEM- Bionkforschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin

[...]

---

¹ Der Fachbereichsrat des Fachbereichs Maschinenbau, Verfahrens- und Umwelttechnik hat in seiner 68. ordentlichen Sitzung, am Dienstag dem 26. Oktober 2004, die Gründung der Fachgruppe Bionic Research Unit [BRU] an derTechnischen Fachhochschule Berlin einstimmig begrüßt.

Bionkforschung an der Beuth Hochschule für Technik Berlin

² Siehe auch die Internetseiten der Bionic Research Unit unter https://proiekt.beuth-hochschule.de/bru/