Simulation
Prozesse beschleunigen mittels 'RISTRA'-Technologie
Wenn es um die Simulationen von Konstruktionen geht, müssen sich die Anwender auf zeitintensive Prozesse einstellen. Abhilfe schaffen soll die 'RISTRA'-Technologie, die für die Simulation anstatt auf die CPU auf die GPU zugreift – und so den Prozess enorm beschleunigt.
Konstruiert wird heutzutage mit leistungsfähigen 3D-CAD-Programmen. Das Ergebnis sind Geometriedaten, die über allgemein gebräuchliche Datenformate, wie STEP oder IGES, als Input etwa für die CNC-Fertigung dienen. 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 sowie Energietechnik, längst den Mittelstand erreicht. Numerische Simulation ist wirtschaftlicher und schneller als der praktische Versuch, ungefährlich für Mensch und Umwelt und liefert reproduzierbare, sichere Ergebnisse. Eines der Ziele ist es, durch schrittweise Veränderung der Parameter, wie zum Beispiel Materialstärken, ein Bauteil zu erhalten, das bei minimalem Materialeinsatz alle Anforderungen an die Festigkeit einhält.
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.
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. Berechnet werden die Verschiebungen der einzelnen Knoten. In nachfolgenden Schritten werden dann Verzerrungen, Spannungen sowie Knotenkräfte berechnet. Anschließend werden die Ergebnisse grafisch 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.
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. Und das kann dauern… 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. Bedauerlich, denn gerade bei Konstruktionen, die beispielsweise mittels additiver Verfahren gefertigt werden, ist es von großem Interesse, den Materialeinsatz und damit auch die Produktionszeit auf ein Minimum zu reduzieren.
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, Inter-active 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, kostengüns-tiger Grafikkarten (GPU – graphics processing unit). Da die Rechenzeit um Größenordnungen kürzer als bei Standardsimula-tionen ist, sieht der Konstrukteur die Simulationsergebnisse quasi in Echtzeit auf seinem Bildschirm und kann sofort seine Schlüsse ziehen. ‘RISTRA’ wurde für handels- übliche 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 5000 Kerne zur Verfügung. Die Technologie unterstützt aktuell die folgenden strukturmechanischen Konzepte: geometrisch lineare Elastizität, linear isotrope und anisotrope Materialien sowie lineare, quadratische und kubische Ansatzfunktionen auf Tetraedern.
Bild 1: Die ‚kleine Iterationsschleife‘: Design-Iterationen innerhalb von ‘RISTRA’ ermöglichen eine sehr schnelle Arbeitsweise. Eventuell vorgenommene Geometrie-Änderungen müssen anschließend manuell im CAD-Programm nachvollzogen werden.
© Fraunhofer IGDSchon 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 (Bild 1). 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.
Bild 2: Design-Prozess beginnend beim CAD-Programm, jedoch bereits mit beschleunigter Simulation per GPU. Die Effizienz hängt maßgeblich von der Geschwindigkeit der (Teil-)Prozesskette CAD-Programm/Präprozessor und dem Datenaustausch ab.
© Fraunhofer IGDFalls komplexere Geometriemodifikationen notwendig sind, muss auf die ‚große Iterationsschleife‘ (Bild 2) 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 zirka 20 Sekunden. Obwohl die Simulationslösung bereits deutlich schneller ist als die Vergleichssoftware, wurde der Zeitgewinn bei der eigentlichen Simulation konterkariert durch die noch unakzeptabel lange Zeitdauer der Initialisierung.
Der Weg zum Optimum
Bild 3: Die Vorverarbeitungsschritte für die Generierung der Gleichungssysteme laufen in der neuen Version von ‘RISTRA’ auch auf der GPU, was die Zykluszeiten der interaktiven Simulation enorm verkürzt.
© Fraunhofer IGDInzwischen 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 (Bild 3). 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 – das ist 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.
Intuitiv und interaktiv
Selbstverständlich können nach wie vor Änderungen der Geometrie, sofern sie auf einer gegebenen Netzstruktur beruhen, oder anderen Parametern wie Lastfälle oder Materialauswahl, als kleine Iterationsschleife direkt in ‘RISTRA’ durchgeführt werden. Dem Anwender bietet sich eine in sich geschlossene Hochgeschwindigkeitsschleife. Das Angenehme daran: Änderungen an den Parametern, ihre anschließende Simulation und die Auswertung erfolgen innerhalb ein und derselben Systemumgebung. Die Iterationsschleifen sind so kurz, sodass es sich lohnt, viele Schritte in Richtung Optimum zu durchlaufen.
Bild 4: Links: Initiale Simulation eines idealisierten Motorhalters mit zu hohen Spannungen in der Bauteil-Mitte. Rechts: Nach einer geometrischen Modifikation sind die Spannungsspitzen geringer.
© Fraunhofer IGDDie Simulationsergebnisse liegen je nach Komplexität der Konstruktion nahezu in ‚Echtzeit‘ vor. Intuitiv, fast spielerisch, kann der Anwender Materialparameter, Lastfälle und Geometrie-Änderung an der gegebenen Netzstruktur in ‘RISTRA’ verändern und schauen ‚was passiert‘ (Bild 4). Diese Erkenntnisse sind die Basis für die notwendigen Veränderungen der Konstruktion respektive 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 Geometrie-Änderungen vorgenommen werden, in denen direkt das Simulationsnetz angepasst wird. Hat die Simulation ergeben, dass bestimmte Geometrie-Änderungen dem Optimierungsziel näherkommen, müssen diese manuell im CAD-System nachvollzogen werden.
Derzeit steht das Institut in Verhandlungen mit Software-Anbietern, die als Lizenznehmer die neuen Algorithmen in ihre Software-Umgebung integrieren. Eine erste Partnerschaft besteht bereits mit Meshparts, die ‘RISTRA’ in ihr Simulationsprogramm integrieren.
Autor:
Dr.-Ing. Daniel Weber ist stellvertretender Abteilungsleiter Interaktive Engineering Technologien im Fraunhofer IGD.
'RISTRA' im Überblick
Hardware-Voraussetzungen:
Grafikkarten mit CUDA-Architektur, mindestens mit Compute-Capability-3.0. Interfaces zu vielen gängigen Formaten, wie Creo Simulate, Salome oder etwa Abaqus-Export können entwickelt werden.
‘RISTRA’ unterstützt die folgenden strukturmechanischen Konzepte:
- zeitabhängige und zeitunabhängige Deformation,
- geometrisch lineare Elastizität mit kleinen Dehnungen und kleinen Rotationen
- geometrisch nichtlineare Elastizität mit kleinen Dehnungen und endlichen Rotationen
- linear isotrope und anisotrope Materialien sowie lineare, quadratische und kubische Ansatzfunktionen auf Tetraedern (Finite Elemente TET4, TET10, TET20).
Der Fahrplan
Prof. Dr.-Ing. André Stork, Leiter der Abteilung ‚Interaktive Engineering Technologien‘ beim Fraunhofer IGD.
© Fraunhofer IGDDie Entwicklung von ‘RISTRA’ ist bereits weit fortgeschritten. Wie es weiter geht, erläutert Prof. Dr.-Ing. André Stork, Leiter der Abteilung ‚Interaktive Engineering Technologien‘ beim Fraunhofer IGD, im Interview.
Herr Prof. Stork, wie lange arbeiten Sie schon an diesem Projekt?
Prof. André Stork: Die Technologie wurde in zahlreichen öffentlich geförderten Projekten kontinuierlich weiterentwickelt. Mittlerweile beschäftigen wir uns mit der Thematik seit fast zehn Jahren. Eine intensive Kooperation mit einem Industriepartner und europäische sowie nationale Forschungsprojekte trugen zum heutigen Stand dieser Technologie bei.
Sie werden an diesem Thema weiter arbeiten. Welche Erweiterungen von ‘RISTRA’ haben Sie auf der Agenda?
Prof. André Stork: Unsere Forschergruppe erweitert die Lösung nicht nur hin zu geometrisch nichtlinearer Elastizität und nichtlinearen Materialien. Weiterhin beabsichtigen wir, kontaktmechanische Fragestellungen GPU-beschleunigt zu simulieren – eine stark nachgefragte Funktionalität.
Additive Fertigungsverfahren sind derzeit das Topp-Thema. Wird das IGD auch für diesen Bereich eine Antwort bereit haben?
Prof. André Stork: Ja. Mit unseren aktuellen Projekten ‚CAxMan‘, ‚M3D‘ und ‚Future AM‘ entwickeln wir neuartige Technologien, die den Additive-Manufacturing-Herstellungsprozess in den Bereichen der Modellierung und Simulation unterstützen. In diesen Projekten erforschen wir unter anderem neuartige Datenstrukturen und Algorithmen, die die Anforderungen der gesamten Prozesskette, von der Modellierung über die Simulation bis zum 3D-Druck, abdecken – gerade auch für Objekte mit lokal variierenden Eigenschaften.
Das könnte Sie auch interessieren
KI-basierte Bauteilkontrolle für schnellere Umrüstzeiten
Die Software Marquis des Fraunhofer IGD ermöglicht es, Bauteile mobil und in Echtzeit zu überprüfen.
mehr...Inosoft übernimmt Schweizer Tochter
Die Inosoft GmbH übernimmt die Schweizer Inosoft AG vollständig. Thomas Helmbold wird neuer Geschäftsführer, der Unternehmenssitz wechselt nach Thayngen
mehr...Cybus holt Siemens-Manager Stefan Schwab an die Unternehmensspitze
Der Hamburger Softwareanbieter Cybus setzt künftig auf eine Doppelspitze: Stefan Schwab ergänzt Mitgründer Peter Sorowka als Co-CEO.
mehr...Nachgehakt! – bei Adrian Grüner, Neoception
Der Digitale Informations-Zwilling
Neoception, eigenständiges Spin-off innerhalb der Pepperl+Fuchs-Gruppe, unterstützt Firmen dabei, den Weg hin zur vernetzten industriellen Welt der Zukunft einzuschlagen. Unverzichtbar dabei: der Digitale Zwilling.
mehr...Eric Brabänder übernimmt Geschäftsführung von Empolis
Eric Brabänder hat zum 1. Juli 2026 die Geschäftsführung von Empolis übernommen. Der langjährige Produkt- und KI-Experte folgt auf Andreas Klüter an der Spitze des Softwareunternehmens.
mehr...Keysight übernimmt VPIphotonics
Mit der Übernahme von VPIphotonics baut Keysight Technologies sein Softwareportfolio für die Photonik-Entwicklung aus. Die Lösungen decken künftig den gesamten Designprozess von der Bauteilphysik bis zur Simulation kompletter optischer Systeme ab.
mehr...Factory-X schafft Grundlage für interoperable Datenräume und industrielle KI
Nach zweieinhalb Jahren gemeinsamer Projektarbeit zieht das Factory-X-Konsortium auf dem Abschlussevent am 17. und 18. Juni 2026 in Berlin Bilanz: Mit dem erfolgreichen Abschluss der Konsortialprojektphase legt Factory-X die Grundlage für die...
mehr...Der Shopfloor wird zur Datenquelle
Trotz der enormen Datenmenge, die moderne Intralogistikumgebungen produzieren, fehlt in vielen Anwendungen die entscheidende Transparenz darüber, wie Prozesse tatsächlich auf dem Shopfloor ablaufen. Oft leben die Kollegen im Lager den Prozess...
mehr...nachgehakt! – bei Marián Hönsch, TTTech...
Industrial Security praxisnah umgesetzt
Von Secure Boot bis Offline-Betrieb: Das Gespräch zeigt, wie ‚Nerve‘ Sicherheitsanforderungen in industriellen Umgebungen technisch umsetzt und welche Prozesse hinter der Zertifizierung stehen.
mehr...