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Rechenpower intelligent nutzen

Merkle & Partner: durchdachtes Anlegen aufwändiger Simulationen

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Simulationstechnologien decken bereits einen enormen Teil realer Entwicklungs- und Testing-Modelle ab. Damit diese Technologie pragmatisch und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, sind trotz der gewaltig gestiegenen Rechenleistungen intelligente Konzepte für adäquate Berechnungsmodelle gefragt.

Simulationen spiegeln die reale Welt wider. Je näher sie an der Realität rechnen können, umso exakter sind die Ergebnisse. Da die reale Welt und all ihre Rahmenbedingungen relativ komplex sind, sind entsprechende Berechnungsmodelle oft aufwändig. So ist es nicht selten, dass die Simulation von Strömungen oder Strukturen unter bestimmten Bedingungen Tage oder gar Wochen an Zeit in Anspruch nimmt. Auch, wenn die Rechenpower sich in den letzten drei Jahrzehnten um den Faktor 1 Mio. erhöht hat. Für eine solide aber auch wirtschaftliche wie pragmatische Berechnung ist daher die intelligente Definition des zu nutzenden Berechnungsmodells ausschlaggebend.

Rechenzeit intelligent zu reduzieren bedeutet, den Aufwand der Simulation und damit deren Kosten zu reduzieren. Bei ingenieurstechnischen Simulationsberechnungen sind es die räumliche Diskretisierung - also anhand einer Vielzahl möglicher Punkte (dem Kontinuum) endliche viele (diskrete) Punkte auszuwählen – sowie die zeitliche Diskretisierung, die als mögliche Stellschrauben dienen. Da sich die Rechenzeit quadratisch zur Anzahl der Punkte und linear zu den Zeitschritten verhält, ist die räumliche Diskretisierung einer der wichtigsten Schritte.

Modell-Vereinfachungen spielen eine wichtige Rolle. So lassen sich dünne Strukturen über Schalenelemente wesentlich genauer beschreiben. Stabähnliche Strukturen können über Balken effizient berechnet werden. Im Strömungsbereich können Lochbleche durch poröse Medien vereinfacht dargestellt werden. So lässt sich beispielsweise ein Modell mit mehreren Millionen Volumenelementen über ein Modell mit 500.000 Elementen beschreiben. Hinsichtlich Rechenzeit bedeutet das eine Reduktion um den Faktor 10-100. Darüber hinaus ist die sinnvolle Zerlegung von Berechnungssituationen oft vorteilhaft. So kann man je nach Aufgabenstellung ein 3D-Gesamtmodell, die 3D-Simulation eines Ausschnittes oder eine entsprechende Abwandlung mit den passenden Rahmenbedingungen zur Berechnung einsetzen. Bei intelligenter Nutzung lassen sich über alle genannten Wege die gleichen Ergebnisse erzielen. Wobei sich die Rechenzeiten eklatant unterscheiden können. Ergänzt man das nun noch um ein logarithmisches und nicht lineares Zeitverhalten, lässt sich der Speicherbedarf dramatisch reduzieren.

„Wir verfügen über enorme Rechenkapazitäten und Leistungen. Insofern scheint es verlockend, verschwenderisch damit umzugehen. Im Bereich der Simulationstechnologien benötigen wir aber in vielen Modellen immer noch enormen Speicherbedarf. Daher muss der Ingenieur intelligent mit der zur Verfügung stehenden Leistung umgehen, um zeitnah vernünftige Optimierungen zu entwickeln“, so Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR. „Nutzt man die gestiegene Rechenpower und macht sich gleichzeitig immer weniger Gedanken, wie man die erforderliche Rechenzeit reduzieren kann, vergeudet man Ressourcen und die Leistung ist schlechter, als sie sein könnte.“

Bild 1: Intelligenz gepaart mit Kraft: Ein Rechenmodell, das bei gleicher Aussagefähigkeit wesentlich weniger Rechenpower benötigt, ist immer intelligenter und letztendlich der schnellere und effizientere Weg.

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