Simulation: Prozesse beschleunigen mittels 'RISTRA'-Technologie

Fortsetzung des Artikels von Teil 2.

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.

1_Die kleine Iterationsschleife Bildquelle: © Fraunhofer IGD

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.

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 (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.

Die große Iterationsschleife Bildquelle: © Fraunhofer IGD

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.

Falls 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.