3DSimulationen

3DSimulationen sind computergestützte Modelle, die räumliche dreidimensionale Phänomene darstellen und deren zeitliche Entwicklung vorhersehen. Sie beruhen auf der Diskretisierung der Geometrie und der zugrunde liegenden Gleichungen sowie auf Materialdaten, Rand- und Anfangsbedingungen. Typische Ausgaben umfassen Visualisierungen, numerische Größen wie Kräfte, Strömungsgeschwindigkeiten sowie Vergleichswerte mit experimentellen Daten.

Zu den gängigen Ansätzen gehören meshbasierte Methoden wie das Finite-Elemente-Verfahren (FEM), Finite-Differenzen- und Finite-Volumen-Methoden (FDM/FVM). Daneben kommen particle-basierte Verfahren wie die SPH-Simulation (Smoothed Particle Hydrodynamics) sowie Kopplungen mit der Modellierung von starren oder verformbaren Körpern zum Einsatz. Hochwertige, realistische Ergebnisse erfordern Geometrie-Reinigung, Netzgenerierung, ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung sowie gegebenenfalls Mehrphasen- oder Mehrphysik-Copling. Realzeittaugliche Anwendungen nutzen Graphikprozessoren (GPU) und optimierte Algorithmen, während wissenschaftliche und industrielle Berechnungen auf Hochleistungsrechnern laufen.

Anwendungsgebiete reichen von Ingenieurwesen (Aerodynamik, Strukturanalyse, Crashsimulationen) über Bauwesen und Biomechanik bis hin zu Medizin, Unterhaltungsindustrie, Visual Effects und Gaming sowie Klima- und Geowissenschaften (Luft- und Ozeanströmungen, Erdmodelle).

Herausforderungen und Qualitätssicherung umfassen Verifikation und Validierung, Unsicherheiten, Diskretisierungsfehler, Modellannahmen, Kosten und Rechenressourcen sowie Herausforderungen bei der Kopplung mehrerer Physikbereiche. Ein typischer Workflow beginnt mit CAD- oder Scan-Daten, geht über Geometrieaufbereitung und Meshing zum Setup der Physik, führt die Simulation durch und schließt mit Post-Processing und Validierung gegen Messdaten.