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02.07.2021

Revolution bei Simulationen in der Produktinnovation

Revolution bei Simulationen in der Produktinnovation

Hexagon demonstriert, wie mit dem schnellsten Supercomputer der Welt, Fugaku, Innovationen beschleunigt werden können: Mit Fugaku können komplexe CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt werden, die bisher zu zeitaufwändig und teuer waren. Die Division Manufacturing Intelligence des Unternehmens hat aufgezeigt: Die Funktionalität von Flugzeugen und Elektrofahrzeugen der nächsten Generation kann mit Hilfe von Simulationen detaillierter und mit viel mehr Iterationen erforscht werden. Durch die Nutzung modernster Halbleitersysteme können Hersteller die komplexen Zusammenhänge realitätsgetreu analysieren – mit weniger als der Hälfte des Energieverbrauchs und zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Simulationsmethoden.

CFD-Simulationen erfordern erhebliche Rechenleistung und Ressourcen. Folglich müssen Ingenieure viele Stunden damit verbringen, das Design eines Produkts zu vereinfachen, damit es simuliert werden kann, um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten. Unter Umständen können 90 Prozent der Arbeitszeit eines Ingenieurs für diesen manuellen Prozess aufgewendet werden. Zudem sind die Ingenieure zunehmend gefordert, Simulationen zu „skalieren“, um mehr Elemente verwalten zu können. Dies führt dazu, dass die Kosten und der Zeitaufwand für diese Simulationen unerschwinglich geworden sind und Ingenieure deshalb nur noch eine vereinfachte Version des Produktes simulieren können. Cradle CFD-Kunden von Hexagon haben nun die Möglichkeit, die leistungsstarke ARM-basierte Fugaku-Computerarchitektur zu nutzen, um komplexe Simulationen schnell und einfach durchzuführen. Die neue Partnerschaft ermöglicht die Verwendung der Cradle CFD-Software auf den kommerziell verfügbaren Supercomputern der PRIMEHPC-Serie von Fujitsu Limited, die die Fugaku-Technologie nutzen.

So können Ingenieure nun komplexe Designs simulieren, ohne sie zunächst vereinfachen zu müssen. Das spart nicht nur Zeit, sondern ermöglicht auch den Zugang zu deutlich mehr Details. Sie haben die Möglichkeit, mehrere Designoptionen schnell zu prüfen und die Simulation immer wieder zur Verfeinerung und zum Testen ihrer Entwürfe einzusetzen. Auch entwickeln sie so neue Konzepte, die heute nicht mit physikalischen Tests oder Simulationen ermittelt werden können. Hersteller profitieren von schnelleren und detaillierteren Arbeitsprozessen. Ingenieure können zudem diese Art der Simulation routinemäßig bei ihrer täglichen Arbeit einsetzen, da die Fugaku-Architektur etwa ein Drittel der Energie der derzeit verwendeten Computer verbraucht, was zu Kosteneinsparungen führt und die Nachhaltigkeit verbessert.

Die neue Technologie ist eine Revolution für Ingenieure in verschiedenen Bereichen, wie z.B. der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie dem Bauwesen. Sie alle profitieren von den Möglichkeiten, die die CFD-Simulation bietet. Dies ist besonders wertvoll in einer Zeit, in der die Automobil- sowie die Luft- und die Raumfahrtindustrie um die Markteinführung neuer Formen der Mobilität und neuer elektrifizierter Transportmittel ringt. Zum Beispiel stehen Automobilhersteller unter enormem Druck, den Übergang zu Elektrofahrzeugen zu beschleunigen. Durch die Einsparung von manuellen Prozessen wie beispielsweise Meshing, können Automobilhersteller mehrere Simulationen durchführen, um besser zu verstehen, wie sich die Aerodynamik eines neuen Modells auf die Energieeffizienz und die Reichweite auswirkt. Außerdem sind sie in der Lage, mehr Iterationen zwischen Design und Konstruktion durchzuführen, um letztendlich das optimale Design festzulegen. Auch das Wärmemanagement ist bei Elektrofahrzeugen besonders wichtig, da das Wärmemanagement eines Fahrzeugs dessen Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit optimiert - allesamt große Herausforderungen für den EV-Markt. Durch die Simulationen mit einer höheren Auflösung können Ingenieure diese Probleme besser verstehen. So können sie schneller Modelle auf den Markt bringen, die durch ihr Design und ihre Funktionalität überzeugen.

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Hexagon-Experten arbeiteten eng mit Fujitsu Limited zusammen, um den Cradle CFD-Code für den Betrieb auf Fugaku abzustimmen und Testsimulationen durchzuführen. So wurde zum Beispiel ein typischer Familienwagen in seiner Gesamtheit simuliert – was nur mit erhöhter Rechenleistung möglich ist. Dieses Modell umfasste 70 Millionen Elemente mit 960 Cores und wurde mit der RANS-Gleichung über 1000 Zyklen bis zum Steady State simuliert.

In der Luft- und Raumfahrt sind die Auswirkungen von Turbulenzen, die sich um die Tragflächen eines Flugzeugs bilden, von entscheidender Bedeutung für dessen Steuerung und Sicherheit. Turbulenzen sind das Ergebnis vieler Wirbel, von denen einige so klein sind, dass sie mit aktuellen Methoden nicht zu simulieren sind. Durch den Einsatz der Cradle-Technologie mit den zusätzlichen Rechenressourcen von Fugaku können Ingenieure nun die Simulation in höherer Auflösung durchführen, um die Auswirkungen von Turbulenzen auf die strukturelle Sicherheit des Flugzeugs und die Kräfte, denen es standhalten kann, besser zu verstehen. Dies ist wichtig für die Entwicklung von Flugzeugen der nächsten Generation, einschließlich Überschall- und Hyperschallflugzeugen, für die die Ingenieure das Verhalten der Stoßwellen um das Flugzeug herum verstehen müssen.

Das Team hat erfolgreich eine Test-Simulation von transonischen Flüssigkeiten durchgeführt, die um ein Flugzeug strömen. Die transsonische Analyse ist für die Konstruktion von sicheren und effizienten Flugzeugen unerlässlich und hilft Ingenieuren zu verstehen, was passiert, wenn die Luft um eine Tragflächenkontrollfläche strömt.

Die Simulation:

  • umfasste etwa 230 Millionen Elemente
  • wurde mit 4.000 Knoten (192.000 Cores) getestet
  • verwendete 48.000 Prozesse über Message Passing Interface (MPI) und 4 Threads über die OpenMP-Programmierschnittstelle.
  • Für diese Tests wurden die Rechenressourcen des Supercomputers Fugaku von RIKEN über das HPCI System Utilization Research Project (Issue No.: hp200209, hp200302) bereitgestellt.

Roger Assaker, President Design & Engineering des Geschäftsbereichs Manufacturing Intelligence von Hexagon, sagte: „Simulation ist der Schlüssel zu Innovationen in der Luft- und Raumfahrt in Bezug auf E-Mobilität. Fortschritte wie die stromsparende Fugaku-Supercomputing-Architektur ermöglichen uns den Zugang zu wertvollen Daten, ohne dafür Unsummen auszugeben. Ich bin begeistert von dem, was unser Cradle CFD-Team und unsere Partner erreicht haben.“

Masahide Fujisaki, Executive Director von Fujitsu Limited, sagte: „Fujitsu freut sich über die Möglichkeit, mit Software Cradle Co., Ltd. zusammenzuarbeiten. Wir konnten die Leistung des scFLOW-Solvers für große Modelle auf dem Supercomputer Fugaku und der Fujitsu Supercomputer PRIMEHPC-Serie, die die Technologie von Fugaku nutzt, optimieren und validieren. Wir möchten zukünftig zusammen mit Herstellern an der Optimierung kommerzieller Anwendungen arbeiten und zur industriellen Nutzung von Fugaku beitragen, während wir gleichzeitig die Fujitsu Supercomputer PRIMEHPC-Serie Herstellern und sonstigen Unternehmen zur Verfügung stellen und somit eine breite industrielle Nutzung der Forschungsergebnisse ermöglichen.“

Tomohiro Irie, Director of R&D bei Cradle CFD, sagte: „Indem wir die effiziente Rechenleistung von Fugaku mit unseren Simulationswerkzeugen einsetzen, fördern wir die Simulation von Phänomenen, die vorher aufgrund der Berechnungszeit und der Kosten einfach nicht machbar waren. Heute simulieren wir mit 192.000 Cores, und das ist erst der Anfang - da Cradle CFD in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird, rechne ich damit, dass diese technischen Entwicklungen dazu beitragen werden, die Leistung von Fugaku für den allgemeinen Gebrauch zugänglicher zu machen. Das bringt Ingenieuren, die heute die Probleme von morgen lösen, enorme Vorteile und genauere Ergebnisse. „Sowohl Cradle CFD als auch Fugaku sind in Japan beheimatet, und ich bin überzeugt, dass wir diese exzellenten Errungenschaften über das Netzwerk von Hexagon global nutzen können.“

Schlagworte

AutomobilindustrieBauwesenDesignE-MobilitätKonstruktionLuftfahrtSimulation

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