Simulationsmethoden bezeichnen numerische und rechnergestützte Verfahren, mit denen das Verhalten von Werkstoffen und Bauteilen auf verschiedenen Längenskalen und Zeitskalen modelliert wird. Sie ergänzen Experimente, erlauben systematische Parameterstudien und tragen zur Vorhersage von Eigenschaften sowie zur beschleunigten Werkstoffentwicklung bei.

Grundlegend lassen sich kontinuierliche und diskrete Ansätze unterscheiden. Kontinuumsmechanische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) und Finite-Volumen-Methoden (FVM) lösen partielle Differentialgleichungen für Spannungen, Dehnungen, Wärme- und Stofftransport auf Bauteil- oder Strukturebene. Sie werden u.a. zur Auslegung von Bauteilen, zur Lebensdauervorhersage und zur Abbildung thermo-mechanischer Prozessketten eingesetzt.

Diskrete und atomistische Methoden umfassen Molekulardynamik (MD), Monte-Carlo-Verfahren und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Sie ermöglichen das Verständnis grundlegender Mechanismen wie Versetzungsbewegung, Diffusion, Phasenumwandlungen und Bindungsverhältnisse auf atomarer Skala. Mesoskopische Ansätze, z.B. Phasenfeldmethoden oder diskrete Versetzungssimulationen, schlagen die Brücke zwischen Atomistik und Kontinuum, etwa zur Beschreibung von Mikrostrukturentwicklung.

Ein zentrales Thema ist die Multiskalensimulation, bei der Informationen aus feineren Skalen (z.B. Defektstrukturen, Mikrotextur) konsistent in Modelle höherer Skalen (Bauteile, Bauteilverbunde) überführt werden. Damit verbunden sind Fragen der Modellvalidierung, Unsicherheitsquantifizierung und der effizienten Kopplung verschiedener Simulationsmethoden. Mit zunehmender Rechenleistung und dem Einsatz datengetriebener Verfahren (z.B. maschinelles Lernen) gewinnen hybride Methoden und surrogatbasierte Modelle an Bedeutung.