Simulationen bezeichnen die rechnergestützte Nachbildung werkstofflicher und struktureller Systeme, um ihr Verhalten unter definierten Randbedingungen vorhersagen zu können. Sie ergänzen Experimente, reduzieren Entwicklungszeiten und ermöglichen Analysen in Skalenbereichen, die experimentell schwer zugänglich sind.

In der Kontinuumsmechanik sind numerische Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) etabliert. Finite-Element-Simulationen und Finite-Elemente-Analysen diskretisieren Bauteile in Finite-Elemente-Modelle, um Spannungen, Dehnungen, Temperaturfelder oder Schädigungsentwicklung zu berechnen, z.B. in der Kontaktmechanik oder bei Crash- und Ermüdungsanalysen.

Auf mikroskopischer und atomarer Skala kommen atomistische Simulationen zum Einsatz. Molekulardynamik (MD) löst die Bewegungsgleichungen vieler Atome mit empirischen oder ab initio-Potenzialen. Dichtefunktionaltheorie (DFT) erlaubt die quantenmechanische Beschreibung elektronischer Struktur und liefert fundamentale Materialparameter wie Elastizitätskonstanten, Diffusionsbarrieren oder Oberflächenenergien.

Die Kopplung von Skalen – von DFT über MD bis hin zur FEM – ermöglicht multiskalige Simulationen, die makroskopische Werkstoffeigenschaften aus der Mikrostruktur ableiten. Im industriellen Kontext werden Simulationsmodelle zunehmend in digitale Zwillinge eingebettet, welche reale Anlagen oder Bauteile virtuell abbilden, kontinuierlich mit Messdaten aktualisiert werden und zustandsabhängige Vorhersagen zu Lebensdauer, Versagen und Optimierung erlauben.

Hohe Qualität von Simulationen setzt validierte Materialmodelle, sorgfältige Diskretisierung, numerische Stabilität und systematische Verifikation und Validierung (V&V) voraus, um belastbare ingenieurwissenschaftliche Entscheidungen zu ermöglichen.