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16. October 2019

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Forschergeist als Lösung für umfangreiche Herausforderungen

Forschergeist als Lösung für umfangreiche Herausforderungen© Piqs.de/Steve Juvertson

Mit der sogenannten Finite-Elemente-Software können heutzutage in der Industrie viele physikalischen Aufgaben gelöst werden. Die TU Wien forscht hier an Weiterentwicklungen und zeigt nun das Softwarepaket „NGSolve“ als aktuelles Referenzprojekt auf der kommenden Hannover Messe.

Ob die Simulation eines Crashtests am Auto ansteht oder das Strömungsverhalten von Gasen berechnet werden muss - für fast jedes produzierende Unternehmen sind umfangreiche und trotzdem effiziente Computersimulationen unverzichtbar. Gerne wird dabei die Finite-Elemente-Methode eingesetzt, ein extrem mächtiges und vielseitiges Rechenverfahren. Die zunehmende Komplexheit der Aufgaben erfordert jedoch immer öfter eine entsprechend perfekt programmierte Software.

TU-Wien stellt NGSolve gratis zur Verfügung
An der TU Wien steht nun das Programmpaket „NGSolve“ zur Verfügung, das mit stets aktualisierten Algorithmen auf dem neuesten Stand der mathematischen Forschung ist, optimiert für exzellente Parallelisierbarkeit, und bestens einsetzbar für die Anwendung physikalisch komplizierter Multiskalen-Probleme, so die TU-Wien in einer Aussendung. Oft greifen verschiedene physikalische Effekte ineinander, etwa wenn elektromagnetische Effekte mit mechanischen Effekten gekoppelt sind, oder akustische Effekte mit Phänomenen der Strömungslehre.
„All das lässt sich mit NGSolve rasch und präzise berechnen“, so die TU-Wien. NGSolve wird dabei gratis zur Verfügung gestellt. Das Team um Joachim Schöberl vom Institut für Analysis and Scientific Computing der TU Wien bietet Firmen Unterstützung, die NGSolve-Methoden für komplizierte Anwendungen nutzen und mit ihren eigenen Tools kombinieren möchten.

Neuester Stand der Forschung
Die Grundidee der Finite-Elemente-Methode ist ähnlich wie bei der Zerlegung eines Fotos in eine große Anzahl von Pixeln. Um es auf dem Bildschirm besser darstellen zu können, werden Objekte in kleine Einzelelemente zerlegt. Das Objekt kann eine ganze Autokarosserie sein, ein kleines elektronisches Bauteil oder auch ein strömendes Gas in einer kompliziert geformten Röhre. Physikalisch lässt sich das Verhalten dieser Objekte mit Differentialgleichungen beschreiben, die man am Computer effizient lösen kann, wenn das Objekt entsprechend sinnvoll in Form eines passend geformten Gitternetzes modelliert wird.
Dabei gibt es aber viele wichtige Fragen zu berücksichtigen. „Uns ist wichtig, eine Software zur Verfügung zu stellen, die den allerneuesten Stand der Wissenschaft effizient für Anwender einsetzt“, betont Joachim Schöberl. „Dadurch werden die Ergebnisse immer genauer, und die Berechnungen werden deutlich schneller. Besonders für schwierige Simulationsaufgaben ist das beim zeitlichen Aufwand von entscheidender Bedeutung“, so Schöberl.
Besonderes Augenmerk wurde auch auf die Parallelisierbarkeit der Algorithmen gelegt. Jeder Standard-PC arbeitet heute mit mehreren Prozessoren gleichzeitig, bei wissenschaftlichen Großcomputern werden oft tausende Prozessorkerne genutzt. Das funktioniert aber nur dann gut, wenn die Software perfekt darauf ausgelegt ist, die Rechenaufgaben in Portionen zu zerlegen, die auf viele Prozessoren verteilt und dann gleichzeitig gelöst werden können.

Verschiedene Effekte auf unterschiedlichen Größenskalen
Eine besonders schwierige Aufgabe im Rahmen der Finite-Elemente-Methode ist etwa die Lösung von sogenannten Multiskalenproblemen. „Stellen wir uns vor, wir möchten ein Transformatorblech simulieren. Elektromagnetische Effekte, die etwa Wirbelströme verursachen, treten auf einer Skala im Millimeterbereich auf. Sie hängen aber mit mechanischen Vibrationen zusammen, die das ganze Objekt auf einer Skala von mehreren Metern betreffen“, erklärt Joachim Schöberl.
NGSolve läuft auf allen gängigen Plattformen (Windows, MacOSX, Linux) und verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche, die mit Hilfe der Scriptsprache Python sehr einfach in bestehende Simulationspakete integriert werden kann. Die Software steht gratis zum Download bereit. Auf der Hannover Messe präsentiert die TU Wien nun das Programmpaket für interessierte Firmen. Die Forscher und Techniker stellen dabei ihr Know-how zur Verfügung, wenn es darum geht, proprietäre Lösungen für konkrete Aufgabenstellungen zu entwickeln oder NGSolve bestmöglich in bestehende Workflows einzubinden, so die TU-Wien in ihrer Aussendung.

Links

red/czaak, Economy Ausgabe Webartikel, 18.03.2019