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Information für die Wissenschaft Nr. 30 | 12. Mai 2015
Schwerpunktprogramm „Polymorphe Unschärfemodellierungen für den numerischen Entwurf von Strukturen“ (SPP 1886)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2015 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms 1886 „Polymorphe Unschärfemodellierungen für den numerischen Entwurf von Strukturen“ beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die Ausschreibung lädt zur Antragstellung für die erste dreijährige Förderperiode ein.

Der numerische Entwurf von Strukturen ist derzeit von deterministischen Denk- und Vorgehensweisen geprägt. Die Abbildung der Realität mit deterministischen Modellen und Daten suggeriert Genauigkeit und Sicherheit. Realität ist, dass alle verfügbaren Daten und Informationen durch Unschärfe, Ungewissheit, Unvollständigkeit und Ungenauigkeit charakterisiert sind, die nicht vernachlässigt werden dürfen.

Ziel des Schwerpunktprogramms ist die Entwicklung numerischer Methoden für den verbesserten Entwurf von Strukturen mit unscharfen Daten und Informationen. Neben der Anwendung in den zu beteiligenden Ingenieurdisziplinen Bauingenieurwesen sowie Maschinen- und Anlagenbau und der Unterscheidung verschiedener Phasen (frühe und finale Entwurfsphase) stehen insbesondere „real world“-Szenarien im Fokus, die durch adäquate Modellierung abzubilden sind. Numerische Strukturanalysen auf dem aktuellen Stand der Forschung bilden die Basis der Entwurfskonzepte.

Mit dem Schwerpunktprogramm sollen Chancen der Inter-/Transdisziplinarität für die Entwicklung von Synergien zwischen den verschiedenen oben genannten Ingenieurdisziplinen und der Mathematik genutzt werden, wobei der Fokus auf die Entwicklung der Entwurfsmethodik von Strukturen gerichtet ist.

Eine zu lösende Aufgabe wird darin gesehen, das in den verschiedenen Fachgebieten bestehende unterschiedliche Niveau bezüglich der Erfassung der Unschärfe zu harmonisieren. Als Grundlage der Unschärfemodellierung wird die Definition der polymorphen Unschärfe („polymorphic uncertainty“) vorgeschlagen, mit der alle realen Szenarien abgebildet werden können. Die rasante Entwicklung der Analysekonzepte im Rahmen der „imprecise probability“ wird aufgenommen. Zusätzliche Informationen, die zur Verbesserung der Datensituation beitragen − wie Expertenwissen, Erfahrung und spezifische Kenntnisse – können mit diesen Modellen berücksichtigt werden. Die Ursachen der Datenunschärfe sind im Allgemeinen vielschichtig, sie treten meist gleichzeitig orts- und zeitabhängig auf. Die ausschließliche Anwendung stochastischer Konzepte und Modelle wird im Rahmen des Schwerpunktprogramms als nicht zielführend eingeschätzt, da dezidierte Voraussetzungen in der Praxis in der Regel nicht beziehungsweise nur schwer erfüllt werden können und dann oft ignoriert werden.

Mit der geplanten Vernetzung der beteiligten Fachdisziplinen werden weitreichende wissenschaftliche Teilziele für das Schwerpunktprogramm formuliert. Das sind die Entwicklung und Anwendung innovativer numerischer Entwurfskonzepte, neuartiger Algorithmen, hocheffizienter Vorgehensweisen und verbesserter Methoden für komplexe ingenieurtechnische Strukturentwürfe auf der Basis unscharfer Daten und Informationen. Die Arbeitsprogramme der Teilprojekte für das Schwerpunktprogramm sollen unterschiedliche Aspekte der Berücksichtigung signifikanter Unschärfe beim numerischen Entwurf von Strukturen, neue („intelligente“) methodische Ansätze für den Entwurf von Strukturen, effizientere numerische Vorgehensweisen und praxisgerechte Bewertungsstrategien umfassen.

Mit der Einrichtung des Schwerpunktprogramms wird zur Forschung auf folgenden Gebieten aufgefordert:

Komplex A: Datenmodelle, -akquisition, -assimilation
Neben der Entwicklung effizienter Vorgehensweisen der Datenakquisition sind für polymorphe Unschärfemodellierungen folgende Aufgabenfelder relevant:

  • Entwickeln problemgerechter Beschreibungen für polymorphe Unschärfemodelle
  • Fortentwickeln der Methoden und Systematiken zum Akquirieren der Daten aus Expertenwissen
  • Fortentwickeln der Analysen für unscharfe Strukturcharakteristiken
  • Entwickeln von Modellen zur Assimilation unscharfer Größen

Komplex B: Strukturen und numerischer Entwurf
Solide numerische Strukturanalysen sind die Grundlage des Entwurfs. Konzepte für den numerischen Entwurf von Strukturen mit unscharfen Daten in den verschiedenen oben genannten Ingenieurdisziplinen zielen auf:

  • Fortentwickeln von Strukturanalysen mit polymorph unscharfen Daten (orts- und zeitabhängig)
  • Formulieren und Lösen unscharfer Optimierungsaufgaben
  • Entwickeln von Lösungen für inverse Probleme

Komplex C: Interaktionen und multiphysikalisches Verhalten mit unscharfen Daten
Numerische Strukturentwürfe erfordern auch die Modellierung der signifikanten Interaktion und des multiphysikalischen Verhaltens. Im Schwerpunktprogramm sollen dazu Beiträge mit unscharfen Datenmodellierungen geliefert werden:

  • Kopplung von Unschärfe auf verschiedenen Skalen für Raum und Zeit
  • Entwickeln von Methoden für die Erfassung unscharfer Interaktionen
  • Lösungsansätze für multiphysikalische Probleme mit unscharfen Daten

Komplex D: Effizienz, Ersatzmodelle und Reduktionsmethoden
Die Akzeptanz numerischer Entwurfsmethoden ist nur mit effizienten Vorgehensweisen erreichbar. Zu entwickeln sind demnach zum Beispiel:

  • Methoden der Dimensionsreduktion
  • Approximationsmethoden für unscharfe Daten
  • Ersatzmodelle und Substrukturtechniken mit unscharfen Daten

Komplex E: Bewertung
Der numerische Entwurf von Strukturen auf der Basis unscharfer Daten und Informationen muss wissenschaftlich fundiert bewertet werden. Erwartet werden Forschungsbeiträge aus folgenden Gebieten:

  • Grundlagen zur Unschärfebewertung, Kalibrieren und Validieren unscharfer Maße
  • Methoden zur ingenieurgerechten Interpretation unscharfer Ergebnisse
  • Entwickeln entscheidungsunterstützender Systeme unter Berücksichtigung der Unschärfe

Die genannten fünf Komplexe mit 16 Aufgabenfeldern sind eine Orientierung für die wissenschaftlichen Ziele und das Arbeitsprogramm der zu beteiligenden Fachdisziplinen. Sie werden in den verschiedenen Teilprojekten nicht nur einmalig, sondern mehrmalig zu finden sein und im (abzustimmenden) Zusammenwirken zu qualitativen Verbesserungen des numerischen Entwurfs von Strukturen führen. Das Ziel ist erreicht, wenn richtungsweisende Ansätze deutlich erkennbar, „real world“-Szenarien behandelt und Methoden sowie Pilotlösungen auf verschiedene Anwendungsgebiete übertragbar sind.

Von den Anträgen der einzelnen Teilprojekte wird erwartet, dass sie mehrere der Komplexe und Aufgabenfelder aufgreifen, einen interdisziplinären/transdisziplinären Ansatz besitzen und originäre, spezifische Lösungsansätze enthalten. Eine starke Vernetzung der Arbeitsgruppen und Forschungsdisziplinen zum Ausbau einer fach- und ortsübergreifenden Kooperationsstruktur wird ausdrücklich angestrebt. Deshalb soll jeder Teilprojektantrag in den Gesamtkontext des Schwerpunktprogramms eingeordnet werden. Zudem ist herauszustellen, welche Erkenntnisse und welchen Nutzen die anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den erwarteten Ergebnissen des jeweiligen Teilprojekts ziehen können.

Das Schwerpunktprogramm zielt auf eine integrale Betrachtung der methodischen Ansätze und strebt die Synthese unterschiedlicher Vorgehensweisen in der Überzeugung an, dass Barrieren zwischen den Vertretern der unterschiedlichen Schulen durch wissenschaftlichen Austausch überwunden werden können und es gelingen wird, eine generalisierte wissenschaftliche Erfassung der Unschärfe von Daten und Informationen im numerischen Entwurf von Strukturen zu erreichen.

Die inhaltliche Breite des Schwerpunktprogramms erfordert die Beteiligung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die auf unterschiedlichen Gebieten arbeiten, insbesondere angesprochen sind folgende Bereiche:

  • Baustatik und Mechanik
  • Bauingenieurwesen
  • Maschinenbau
  • Mathematik

Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler mit kürzlich abgeschlossener Promotion (Postdocs) werden ermutigt, die Verantwortung einer Projektleitung zu übernehmen und sich weiter zu qualifizieren. Erwartet werden auch Tandemprojekte mit Nachwuchswissenschaftlern und erfahrenen Wissenschaftlern als Teilprojektleiter. Bei der Fördermaßnahme wird den Regelungen der DFG bezüglich der forschungsorientierten Gleichstellungsstandards besondere Beachtung geschenkt werden.

Innerhalb dieses Schwerpunktprogramms nicht adressiert sind aufwendige Experimente (sondern Nutzung vorhandener, möglicherweise sehr heterogener Daten) und Entwicklungen für Produktionsprozesse.

Projektanträge für die erste dreijährige Förderperiode können bis einschließlich 30.9.2015 bei der DFG eingereicht werden. Mit einer Förderentscheidung ist im 2. Quartal 2016 zu rechnen. Bitte beachten Sie, dass die Projektanträge in englischer Sprache erbeten werden.

Die Antragstellung erfolgt zwingend über das elan-Portal – dieses steht Ihnen für die Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten unter https://elan.dfg.de zur Verfügung. Bitte wählen Sie den Schwerpunkt aus der angebotenen Liste aus.

Bitte berücksichtigen Sie für den Fall, dass es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG handelt, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal unter https://elan.dfg.de registrieren müssen. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. Ohne vorherige Registrierung ist eine Antragstellung nicht möglich.

Bei der Antragstellung zu beachten sind die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B – Allgemeine Informationen zur Antragstellung (insbesondere zur Antragsberechtigung und zu den beantragbaren Mitteln) und im Merkblatt 54.01 Leitfaden für die Antragstellung.

Weiterführende Informationen

Weitere Informationen zum Schwerpunktprogramm sind zu finden unter:

Der Zugang zum elan-Portal erfolgt über:

Die zu verwendenden DFG-Formulare und Merkblätter stehen unter:

Fragen zu den wissenschaftlichen Zielen des Schwerpunktprogramms richten Sie bitte an den Koordinator:

  • Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kaliske,
    TU Dresden, Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke,
    Tel. +49 351 463-34386,
    Fax: +49 351 463-37086,
    Michael.Kaliske@tu-dresden.de

Weitergehende Fragen zur Antragstellung beantworten Ihnen bei der DFG:

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