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Wie funktioniert Simulation?

Produktentwicklung

Wie funktioniert Simulation?

In den meisten Industrieunternehmen ist Simulationssoftware aus dem Entwicklungsprozess nicht mehr wegzudenken. Der Einsatz solcher Lösungen erlaubt es den mit der Entwicklung beauftragten Ingenieuren, Produkte schnell und günstig zu verbessern, ohne dass dabei jedesmal ein Prototyp gefertigt werden muss. Doch wie genau arbeitet eine solche Software?

Bilder: Ansys Germany GmbH

Die Simulationstechnik [1] ist einer der weltweit am schnellsten wachsenden Bereiche im Konstruktions- und Ingenieurwesen. Ihr Einsatz im Entwicklungsprozess trägt dazu bei, die Leistungsfähigkeit von bestehenden oder geplanten Entwürfen für Produkte oder Verfahren virtuell zu testen und zu verbessern. Ohne die computergestützte Simulation müssten für jede Design-Variante Prototypen gebaut und in aufwendigen Versuchsreihen getestet werden. Kleine Änderungen am Design können die Herstellung und das Testen eines komplett neuen Prototyps erforderlich machen, was die Entwicklung verzögert und die Kosten erhöht. Außerdem können Tests ein erfolgreiches Design zwar validieren, aber nicht physikalisch begründen, warum genau dieser Entwurf technisch überlegen ist. Durch den Einsatz von Simulationssoftware im Entwurfsprozess sind deutlich weniger Prototypen und Tests erforderlich.

Stattdessen können zahlreiche Design-Varianten schnell und effizient für eine große Zahl von Szenarien getestet werden, von denen einige experimentell nicht zu erfassen sind. Die Ergebnisse lassen sich in verschiedenen Dateiformaten als dreidimensionale Darstellungen oder Animationen visualisieren, mit deren Hilfe ein Ingenieur genau verstehen kann, wie und warum sich eine Variante in einem gewählten Szenario auf eine bestimmte Weise verhält. Dieses Wissen erlaubt Ingenieuren, Produkte und Prozesse schnell zu optimieren, die Konstruktions- und Entwicklungszeiten zu beschleunigen, die Kosten zu reduzieren und zur Produkteffizienz beizutragen. Eine Simulationsrechnung – sei es Multiphysik, Struktur (FEM), Strömung (CFD) oder Elektromagnetismus – gliedert sich in drei Schritte:

Preprocessing

Das Preprocessing erfordert ein digitalisiertes Modell des Objekts oder des Prozesses. Meistens handelt es sich hierbei um eine CAD-Geometrie, die in die Simulationssoftware importiert wird. Falls die importierten CAD-Daten grobe oder ungenaue Geometrieelemente enthalten, werden diese vor der Berechnung bereinigt. Die äußeren Grenzen für das Modell sind fixiert, so dass die Simulation auf einen festgelegten Bereich beschränkt ist, was den Lösungsprozess beschleunigt. Anschließend wird am Rechner ein Gitter erstellt, das alle Oberflächen der Geometrie wie auch das gesamte Raumvolumen abdeckt. Dieses Netz kann in einigen Fällen viele Millionen individueller Zellen umfassen. Die Komplexität des Gitters ist ein wichtiger Faktor. Wenn eine höhere Genauigkeit der Ergebnisse erforderlich ist, wie beispielsweise in einer Strömungsgrenzschicht, müssen in diesem Bereich kleinere Zellen erzeugt werden. Der Computer löst auf diesem Gitter die grundlegenden auf dem physikalischen Erhaltungsprinzip beruhenden Gleichungen für jede einzelne Zelle und liefert so eine umfassende Vorhersage für das gesamte Modell. Nach der Vernetzung werden bekannte Systembedingungen zugewiesen, wie beispielsweise lokal bekannte Fließgeschwindigkeiten, Temperaturen, Drücke, Belastungen und andere Faktoren, die die Verhaltensweise des betrachteten Produkts oder Systems beeinflussen. Damit ist das Simulationsmodell für die Lösungsphase vorbereitet.

Für die Simulation werden Bedingungen wie Temperatur, Druck oder Fließgeschwindigkeit zugewiesen. Bild: Ansys Germany GmbH
Mittels verschiedener grafischer Darstellungen kann der Entwickler schnell Problembereiche identifizieren. Bild: Ansys Germany GmbH

Lösung und Verarbeitung

Die Simulationssoftware setzt eine Reihe von rechnergestützten Algorithmen ein und berücksichtigt dabei zum Beispiel wirkende Kräfte und Materialeigenschaften, um eine Lösung zu erzeugen. Der Lösungsprozess wird mit nur einem Mausklick initiiert. Software und Hardware arbeiten leistungsstark zusammen und führen Millionen von komplexen Kalkulationen in jeder Sekunde aus. Die physikalischen Gleichungen, auf denen derartige Simulationen basieren, sind in der Wissenschaft seit mehr als 100 Jahren bekannt. Bis in die 1940er Jahre wurden sie manuell berechnet, wozu mehrere Ingenieure gleichzeitig an einer einzigen Lösung arbeiteten. Heute kann ein einziger Computer diese Arbeit für sehr viel schwierigere Aufgaben durchführen. Je nach Größe und Komplexität des simulierten Modells steht eine Lösung nach nur wenigen Minuten zur Verfügung. Allgemein gilt: Je mehr Gitterzellen es in einem Simulationsmodell gibt, desto länger rechnet der Computer für eine Lösung. Leistungsstärkere Computer beschleunigen den Vorgang.

Postprocessing

Nach dem Rechenlauf werden die Simulationsergebnisse analysiert. Quantitative (numerische oder tabellarische) und qualitative (grafische) Auswertungen ermöglichen dem Ingenieur unter anderem den Bereich maximaler Belastungen oder Verformungen präzise zu bestimmen. Tabellarische Daten sind besonders für Ingenieure und Entwickler nützlich, da sie präzise Werte benötigen, um die Anforderungen an Produkteigenschaften und Herstellung, aber auch die gesetzlichen Vorgaben zu erfüllen. Damit diese Informationen an alle am Designprozess Beteiligten (Ingenieure, Konstrukteure und andere Mitarbeiter) kommuniziert werden können, helfen Visualisierungswerkzeuge, das Simulationsergebnis schnell und anschaulich zu vermitteln. Vielfältige grafische Darstellungen und animierte Sequenzen der Ergebnisse tragen dazu bei, Problembereiche zu identifizieren und zu entscheiden, in welche Richtung die weitere Entwicklungsarbeit gehen sollte.

Im Bild: Regina Hoffmann, Marketingleiterin der Ansys Germany GmbH

Hochleistungsrechnen

Hochleistungsrechnen (High Performance Computing/HPC) ist der Einsatz von schnellen Prozessoren und Rechnerarchitekturen zur Lösung anspruchsvoller Aufgaben. In den letzten Jahren ist HPC auf einer breiten Basis verfügbar und kostengünstig einsetzbar geworden, hauptsächlich bedingt durch die Verwendung von preiswerten CPUs, die im parallelen Verbund die Rechenaufgabe lösen. Heute sind Computercluster eine praktikable Möglichkeit für Anwender, ihre Fälle schnell und mit überschaubarem Kostenaufwand zu bearbeiten. Moderne Mehrkernprozessoren verwandeln heute selbst Einzelplatzrechner in Hochleistungsplattformen, mit denen komplette Projekte abgearbeitet werden können. Die höhere Verfügbarkeit von HPC-Systemen ermöglicht auch wichtige Trends in der technischen Simulation.

Größere Modelle mit mehr Details und die Berücksichtigung vielfältiger physikalischer Phänomene führen zu realitätsnahen Simulationsergebnissen und verringern damit die Notwendigkeit für umfangreiche Testläufe. Durch den Einsatz von HPC-Systemen lassen sich auch derart anspruchsvolle und genaue Simulationen innerhalb des vorgegebenen Projektzeitrahmens abarbeiten. Ein weiterer Trend geht hin zu einer höheren Zahl an Simulationsrechnungen. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Entwürfe betrachten, Parameterstudien durchführen und sogar eine automatisierte Designoptimierung verwirklichen. HPC-Systeme liefern die benötigte Durchsatzleistung, um mehrere Simulationen simultan auszuführen und Entwürfe in einer frühen Projektphase einzugrenzen.

Datenmanagement

Komplexe Prozesse und die daraus resultierende explosionsartige Zunahme der Datenmenge verlangen nach effektiven Verfahren für das Management von Simulations-IP. Als Erweiterung zum breiter angelegten PLM-Konzept bringt die Integration von Design und Simulation neue Herausforderungen mit sich. Die Simulation umfasst bereichsübergreifende Verfahren, dezentral mit verschiedenen Tools, Verfahren und Formaten arbeitende Mitarbeiter, durch OEMs/Lieferanten bedingte Einschränkungen, den Zugang zu Material-/Schweißdatenbanken, Verbindungen zu Know-how und Ressourcen sowie gesetzliche Zwänge. Die Lösung kann ein durchgängiges Unterstützungssystem mit speziellem Fokus auf Skalierung, Umfang und Zweck der technischen Simulation darstelen. Sie fördert eine unternehmensweite Vereinheitlichung von Best Practices, die Integration von dezentralen Teams und die Erfüllung von gesetzlichen Compliance-Vorgaben.