Simulation nahezu in Echtzeit

Nur Augenblicke nach einem Entwurfsschritt sieht der Konstrukteur in der Falschfarbendarstellung des Simulators mögliche Schwachpunkte in der Stabilität und Ansätze zur Optimierung seines Designs.

Das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD stellt auf der Konferenz „ISC High Performance 2018“ eine neue interaktive Simulationslösung vor. Die neue Rechentechnologie ermöglicht es, die computergestützte Konstruktion eines Bauteils und die Simulation seiner Stabilität parallel in einem Arbeitsgang durchzuführen. Bis dato benötigt der Konstrukteur für diesen iterativen Prozess aus geometrischer Modellierung, Simulation und Analyse der Ergebnisse unterschiedliche computergestützte Werkzeuge – oft auf verschiedenen Rechnern. Dazu müssen die Datenmodelle zwischen den Werkzeugen manuell konvertiert werden. Auch die Simulation selber ist bislang sehr zeitraubend. Das Testen und Optimieren verschiedener Formen in einem Arbeitsgang blieb bislang ein Wunschtraum.

Dr.-Ing. Daniel Weber, Gruppenleiter „Interaktive Simulation“ am IGD, spricht von einer richtungsweisenden Evolution der Konstruktionsarbeit hin zu einem direkten, intuitiven Arbeitsstil. Dieser führt naturgemäß zu besseren Ergebnissen, nicht nur in Bezug auf die benötigte Entwicklungszeit, sondern auch auf die Qualität des Designs.

Der Kern der neuen Technologie ist ein effizienter Gleichungslöser für Strukturmechanik. Die Software nutzt die massiv-parallelen Berechnungspotenziale handelsüblicher, kostengünstiger Grafikkarten. Da die Rechenzeit um Größenordnungen schneller als bei Standardsimulationen ist, sieht der Konstrukteur die Ergebnisse nahezu in Echtzeit auf seinem Bildschirm. Verbesserungspotenziale erkennt er so sofort und kann im gleichen Atemzug die Konstruktion optimieren.

Interessante Vergleichswerte

„Ein Vergleich unserer interaktiven Simulationslösung mit einer schnellen, kommerziellen Software ergab folgendes: Für ein Modell mit mehr als 300.000 finiten Elementen benötigte die Standardsoftware 36 Sekunden – unsere Lösung lieferte nach rund 0,5 Sekunden reiner Rechenzeit ein Ergebnis, wobei sich mit Initialisierung ein Gesamtzeitaufwand von 3,5 Sekunden ergibt. Damit ist unsere Simulationslösung – je nach Betrachtungsweise – um einen Faktor 10 bis 70 Mal schneller als die Vergleichssoftware“, erläutert Weber. Als potentielle Lizenznehmer hat das Fraunhofer IGD die Konstruktionsingenieure großer Unternehmen und die Hersteller von einschlägiger Software im Blick.

Die neue Software wurde für handelsübliche Grafikkarten mit CUDA Architektur entwickelt. Auch das Fraunhofer IGD nutzt durch die Verlagerung der Simulationsberechnung von der CPU auf den Grafikprozessor die enormen Ressourcen dieser Baugruppen. Weber klärt auf: „Während eine CPU vier bis acht Kerne aufweist, stehen uns auf der Grafikkarte bis zu 5.000 Kerne zur Verfügung.“

Die Fraunhofer IGD-Lösung unterstützt die folgenden, strukturmechanischen Konzepte: geometrisch lineare Elastizität, linear isotrope und anisotrope Materialien sowie lineare, quadratische und kubische Ansatzfunktionen auf Tetraedern. Doch das Fraunhofer IGD arbeitet schon an einer weiteren Beschleunigung der Rechenzeiten und erweitert die Lösung hin zu geometrisch nichtlinearer Elastizität und nichtlinearen Materialien.