Gleichungslöser für Simulationen

Konstruktionsprozess neu definiert

Zur Beschleunigung und Optimierung von Konstruktionsprozessen hat das Fraunhofer IGD Ristra entwickelt. Die Lösung bietet an, Simulationsergebnisse in nahezu Echtzeit zu erhalten. Anfang 2018 wurde die vorläufige Version von vorgestellt, inzwischen liegt eine weiterentwickelte Version vor.

Links: Initiale Simulation eines idealisierten Motorhalters mit zu hohen Spannungen in der Bauteilmitte. Rechts: Nach einer geometrischen Modifikation sind die Spannungsspitzen geringer. © Fraunhofer IGD

Konstruieren ist ein anspruchsvoller Job geworden. Ausgehend von der Produktidee und ihrer grundlegenden Funktionalität müssen alle Beteiligten dafür sorgen, dass das Produkt nicht nur den Anforderungen im Betrieb gerecht wird, sondern auch wirtschaftlich herstellbar ist. Zu den wichtigsten konkreten Bauteilanforderungen gehören die strukturmechanischen Eigenschaften als Reaktion auf statische und dynamische Lastfälle. Ebenfalls zu beachten sind das thermische Verhalten und die elektromagnetische Verträglichkeit. Fragen des Materialverbrauchs oder die zu Produktion und Entsorgung erforderliche Energie sind in jüngster Zeit zunehmend relevant geworden. 

Ohne Simulation keine Sicherheit
Konstruiert wird mit leistungsfähigen 3D-CAD-Programmen. Doch bevor eine Konstruktion an die Fertigung übergeben wird, muss sichergestellt werden, dass sie den Anforderungen aus dem Lastenheft gerecht wird. Eine Möglichkeit, das Verhalten eines Bauteils vorherzusagen, ist die numerische Simulation. Die Simulation hat, ausgehend von Hightech-Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Energietechnik, längst den Mittelstand erreicht. Eines der Ziele ist es, durch schrittweise Veränderung der Parameter, wie Materialstärken, ein Bauteil zu erhalten, das bei minimalem Materialeinsatz alle Anforderungen an die Festigkeit einhält.

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Um simulieren zu können, muss ein Berechnungsmodell aus den CAD-Daten erstellt werden. Ein spezielles Programm, der sogenannte Präprozessor, zerlegt das Bauteil in kleine Teile, meist sind das Tetraeder, so genannte „Finite Elemente“. Der Berechnungsingenieur parametriert das Berechnungsmodell im Präprozessor durch Angaben zum Material und den Randbedingungen der Belastungen, denen das Bauteil ausgesetzt werden soll. Immer öfter übernehmen aber auch die Konstrukteure diese Aufgabe.

Die kleine Iterationsschleife: Design-Iterationen innerhalb von RISTRA ermöglichen eine sehr schnelle Arbeitsweise. © Fraunhofer IGD

Jetzt kann das Modell an den Solver (Strukturmechaniklöser) übergeben werden. So wird das eigentliche Simulationsprogramm genannt, welches das mechanische Verhalten berechnet. Dieser importiert das Berechnungsmodell und generiert daraus unter Berücksichtigung der partiellen Differentialgleichungen der Strukturmechanik ein lineares Gleichungssystem. Etliche Millionen Gleichungen sind je nach Komplexität der Konstruktion keine Ausnahme. Im Falle der mechanischen Simulation berechnet der Solver, wie sich die vorgegebenen Lastfälle auf die Struktur des Bauteils auswirken. In nachfolgenden Schritten werden dann Verzerrungen, Spannungen sowie Knotenkräfte berechnet. Anschließend werden die Ergebnisse graphisch aufbereitet. Gebräuchlich sind Falschfarbenmodelle, die auf einen Blick Auskunft über die Spannungen im Material und die Verformungen geben.

Arbeitsintensiv und zeitraubend
Bis dato benötigen die mit der Konstruktion beschäftigten Personen für diesen iterativen Prozess aus geometrischer Modellierung, Initialisierung, Simulation und Analyse der Ergebnisse unterschiedliche computergestützte Werkzeuge, meist auf verschiedenen Rechnern. Dazu müssen nicht selten die Datenmodelle zwischen diesen Werkzeugen konvertiert werden. Die meiste Zeit beansprucht bislang die Simulation selbst. Je nach benutztem Rechnersystem kann das viele Stunden oder auch Tage dauern. Um Zeit zu gewinnen, übergeben viele Unternehmen die Strukturdaten an Hochleistungsrechner, die im Rahmen einer Cloud-Lösung genutzt werden können.

Die große Iterationsschleife: Design-Prozess beginnend beim CAD-Programm, jedoch bereits mit beschleunigter Simulation per GPU. © Fraunhofer IGD

Liegen dann (endlich) die Simulationsergebnisse vor, können die Verantwortlichen ausgehend davon Änderungen am Design und den Belastungsparametern vornehmen. Oft lassen sie sich dabei von ihrer Erfahrung leiten, sie probieren, wie sich eine Veränderung der Materialstärke beispielsweise auf die Stabilität des Bauteils auswirkt. Und der Kreislauf beginnt von vorn: Eine neue Netzstruktur als Input für den Simulator ist zu berechnen, damit der nächste Simulationslauf beginnen kann. Viele Konstrukteure kommen ihrem Ziel, eine wirklich in allen Belangen optimierte Konstruktion zu erhalten, nicht restlos nah. Ihnen läuft ganz einfach die Zeit davon oder sie werden von Budget-Limits gebremst.

Technologiesprung für den Konstruktionsprozess
Schon seit Jahren arbeitet das Darmstädter Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD an einer Verbesserung dieser Situation. Anfang 2018 stellte das Institut mit „Ristra – (Rapid, Interactive Structural Analysis)“ eine neuartige Technologie für den Strukturmechaniklöser vor. Das Besondere dabei: der Solver läuft nicht auf der CPU, sondern nutzt die massiv-parallelen Berechnungspotenziale handelsüblicher, kostengünstiger Grafikkarten (GPU – graphics processing unit). Da die Rechenzeit um Größenordnungen kürzer als bei Standardsimulationen ist, sieht der Konstrukteur die Simulationsergebnisse quasi in Echtzeit auf seinem Bildschirm und kann sofort seine Schlüsse ziehen. Ristra wurde für handelsübliche Grafikkarten der Firma Nvidia entwickelt. Das Fraunhofer IGD nutzt durch die Verlagerung der Simulationsberechnung von der CPU auf den Grafikprozessor die enormen Ressourcen dieser massiv-parallelen Rechnerarchitektur. Während eine CPU heutzutage vier bis acht Kerne aufweist, stehen aktuell auf der Grafikkarte bis zu 5.000 Kerne zur Verfügung. Ristra unterstützt aktuell die folgenden strukturmechanischen Konzepte: geometrisch lineare Elastizität, linear isotrope und anisotrope Materialien sowie lineare, quadratische und kubische Ansatzfunktionen auf Tetraedern.

Schon die vorläufige, Anfang 2018 vorgestellte Version lieferte eindrucksvolle Ergebnisse. Ein Vergleich der interaktiven Simulationslösung des Fraunhofer IGD mit einer schnellen kommerziellen Software ergab: Für ein Modell mit mehr als 1,3 Millionen finiten Elementen benötigte eine für den Vergleich genutzte Standardsoftware 150 Sekunden. Ristra lieferte nach 0,875 Sekunden reiner Rechenzeit ein Ergebnis. Verbesserungspotenziale erkennt der Berechnungsingenieur oder Konstrukteur sofort und kann daraufhin unmittelbar Veränderungen an der Konstruktion vornehmen. Führt man Änderungen der Lastsituationen oder der Geometrie innerhalb des Solvers als „kleine Iterationsschleife“ durch, kann sofort wieder simuliert werden. Dadurch ergeben sich bislang unerreicht kurze Zeiten – eine „interaktive Simulation“. Die aus einem solchen interaktiven Optimierungsprozess resultierenden Konstruktionsänderungen müssen anschließend in das CAD-Modell eingepflegt werden, um zu konsistenten, gültigen Produktionsdaten zu gelangen.

Falls komplexere Geometriemodifikationen notwendig sind, muss auf die „große Iterationsschleife“ zurückgegriffen werden und die Veränderungen werden direkt im CAD-System vorgenommen. Der Weg zur anschließenden Simulation führt über die erneute Vorverarbeitung mit einem Präprozessor, der das Berechnungsmodell generiert. In der „großen Iterationsschleife“ muss Ristra das neue Modell importieren und das Tetraedernetz analysieren, um das lineare Gleichungssystem zu erzeugen. Diese Schritte laufen in der vorläufigen Version von Ristra noch auf der CPU ab und beanspruchen im vorgenannten Beispiel eine Zeit von etwa 20 Sekunden. Obwohl die Simulationslösung bereits deutlich schneller ist als die Vergleichssoftware, wurde der Zeitgewinn bei der eigentlichen Simulation konterkariert durch die noch unakzeptabel langen Zeiten der Initialisierung.

Neue Version Ristra 2019
Inzwischen haben die Entwickler des Fraunhofer IGD aber auch hierfür eine Lösung gefunden und in der neuen Version Ristra 2019 vorgestellt. Die Operationen zur Generierung des linearen Gleichungssystems wurden speziell für die Bearbeitung mit dem Grafikprozessor optimiert. Folglich können alle Rechenoperationen nach dem Import des Berechnungsmodells jetzt auf der GPU durchgeführt werden. Die Vorverarbeitungsschritte der „großen Iterationsschleife“, die im vorgenannten Beispiel noch 20 Sekunden beansprucht hatten, verkürzen sich drastisch auf unter eine Sekunde. Für das oben genannte Modell mit mehr als 1,3 Millionen finiten Elementen kann Ristra insgesamt nach 1,83 Sekunden ein Ergebnis liefern – damit ist Ristra mehr als 80 Mal schneller als die Vergleichssoftware. In der großen Iterationsschleife hängt die Effizienz von der Teilprozesskette des CAD-Systems und des Präprozessors und dem Datenaustausch ab. Aber auch hier gibt es bereits Lösungsansätze, die jedoch gemeinsam mit den Software-Anbietern der Teilprozesskette bearbeitet werden müssen.

Die Simulationsergebnisse liegen je nach Komplexität der Konstruktion nahezu in Echtzeit vor. Intuitiv kann der Anwender Materialparameter, Lastfälle und Geometrieänderung an der gegebenen Netzstruktur in Ristra verändern und schauen was passiert. Diese Erkenntnisse sind die Basis für die notwendigen Veränderungen der Konstruktion resp. der Geometrie im CAD-Programm. Die Forscher des IGD prognostizieren daher eine grundlegende Veränderung der Konstruktionsabläufe, eine Entwicklung hin zu einem direkten, intuitiven Arbeitsstil. Dieser wird naturgemäß zu besseren Ergebnissen führen, nicht nur in Bezug auf die benötigte Entwicklungszeit, sondern auch auf die Qualität des Designs.

Im gegenwärtigen Entwicklungsstand können in Ristra allerdings nur einfache, prototypische Geometrieänderungen vorgenommen werden, in denen direkt das Simulationsnetz angepasst wird. Hat die Simulation ergeben, dass bestimmte Geometrieänderungen dem Optimierungsziel näherkommen, müssen diese manuell im CAD-System nachvollzogen werden.Es gehört zum Selbstverständnis der Fraunhofer Gesellschaft, nicht als Anbieter von Endprodukten am Markt aufzutreten. Das Institut steht deshalb in Verhandlungen mit Software-Anbietern, die als Lizenznehmer die neuen Algorithmen in ihre Software-Umgebung integrieren. Eine erste Partnerschaft besteht bereits mit Meshparts.

D. Weber/as

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