Konstruktion per Live-Stream

Echtzeitsimulation auf der Grafikkarte

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© Fraunhofer IGD — 

Echtzeitsimulationen auf dem Grafikchip überprüfen die Umsetzbarkeit von Produktideen und Entwurfsvarianten „live“.

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Marktreife2012

20. Januar 2012 — 

Windkanal, Härte- oder Belastungstests: Lange bevor ein Bauteil für Fahrzeuge oder Flugzeuge real existiert ist es als virtuelles Modell bereits „auf Biegen und Brechen“ geprüft worden. In den Entwicklungsphasen davor sind die gängigen Simulationsprogramme allerdings noch wenig hilfreich. Denn mit ihnen ist jeder virtuelle Test sehr rechenintensiv und kostet vor allem Zeit. Künftig sollen Echtzeitsimulationen, die direkt auf der Grafikkarte ablaufen, die Entwickler nun auch beim Entwurf des Groblayouts sinnvoll unterstützen.

 

Wie kommt der Himmel ins Auto? Keine der Fensteröffnungen in der Rohkarosserie ist groß genug, um die Verkleidung für das Autodach am Montageband ins Innere zu bringen. Zumindest wäre dies das Ergebnis einer Machbarkeitsberechnung rein anhand der Konstruktionszeichnungen. Damit ein Fahrzeug dennoch zu seiner Dachverkleidung kommt, bedarf es eines ausgeklügelten Verfahrens, bei dem der Montagearbeiter den Dachhimmel in einer ganz bestimmten Art und Weise verbiegen und verdrehen muss. Befindet sich das Fahrzeug erst einmal in der Produktion ist dies tägliche Praxis und scheint völlig problemlos möglich. Für die Entwicklung des Bauteils ist die Vorwegnahme von Produktionsabläufen wie diesen dagegen eine der entscheidenden Problemstellungen: Die Entwickler müssen das Design des Dachhimmels von vorne herein so konzipieren, dass der spätere Einbau möglich ist. „Sie müssen mit ihren Berechnungen unter anderem sicherstellen, dass beim Verbiegen und Verdrehen keine Kräfte auftreten, welche die Verformbarkeit des Verbundmaterials der Innenverkleidung überlasten und damit möglicherweise beschädigen“, erklärt Prof. Dr. André Stork, Leiter der Abteilung „Interaktive Engineering Technologien“ am Fraunhofer IGD. Mit Simulationsprogrammen lassen sich zwar aus den Konstruktionszeichnungen die Abläufe während des Einbaus berechnen und visualisieren. Die zeitabhängigen Verformungen im Material detailliert zu berücksichtigen, erfordere allerdings einen erheblichen Rechenaufwand. Bis der Fahrzeugentwickler die Rechenergebnisse des Simulationsprogramms am Bildschirm sehen kann und damit die Gewissheit hat, ob sein Entwurf praktikabel ist, vergehen selbst beim Einsatz ganzer Rechencluster oft Stunden oder gar Tage. In der Phase des Grobentwurfs eines Bauteils gibt es zudem eine Vielzahl von Gestaltungsvarianten. Selbst wenn die Entwickler nur einen Bruchteil davon tatsächlich simulierten, würde das den vertretbaren Entwicklungsaufwand bei weitem sprengen. Dass letztlich die beste Option auch tatsächlich umgesetzt wird, ist daher in der Regel immer noch eher das Produkt aus Erfahrung und Zufall, als das Ergebnis planmäßigen Vorgehens.

 

Echtzeitsimulationen in der Phase des Grobentwurfs sollen den Entwicklern künftig ermöglichen, ihre Konstruktionsideen direkt am Computerbildschirm explorativ zu simulieren. Die Forscher am Fraunhofer IGD nutzen die Rechenkapazität der Grafikhardware, um den Zeitaufwand für die Simulationsberechnungen und ihre anschließende Visualisierung auf ein Minimum zu reduzieren. Mit Rechenleistungen zwischen einer und fünf Billionen Rechenoperationen pro Sekunde (bis 5 Teraflops) sind die aktuellen Lösungen der Grafikkartenhersteller so leistungsstark, dass sie nicht mehr nur für ihren eigentlichen Zweck der Visualisierung genutzt werden können. „So nutzen wir bei der Echtzeitsimulation den größten Teil dieser Rechenleistung dafür, die Berechnungen der Simulationsalgorithmen direkt auf den schnellen Grafikchips durchzuführen“, so Stork. Damit wird es den Entwicklern möglich, sich anhand der Simulationen der optimalen Konstruktion eines Bauteils explorativ zu nähern. Am Bildschirm können sie so die Auswirkungen verschiedener Änderungen ihres Entwurfs direkt mitverfolgen. Ob der Dachhimmel ins Auto passt, wird so für den Konstrukteur genauso direkt „einsichtig“, wie das Verhalten von verschiedenen Karosserievarianten im virtuellen Windkanal.

 

Damit die Simulation des jeweiligen Entwurfes nahezu ohne Zeitverzögerung am Bildschirm sichtbar wird, ist es erforderlich, die Rechenkapazität der Grafikhardware optimal auszunutzen. Dafür entwickelten die Forscher am Fraunhofer IGD Simulatoren, die direkt auf den Grafikkarten ablaufen und interaktiv Modelländerungen durch Benutzer erlauben. Die Programme sind gezielt auf hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit „getrimmt“. Dazu werden die Algorithmen so gestaltet, dass möglichst viele Rechenoperationen auf den Grafikchips parallel bearbeitet werden können. „Die sehr mächtigen, detailgenauen Simulationsprogramme eins zu eins auf die Grafikhardware zu bringen, ist dennoch nicht möglich“, sagt Stork. Das Ziel sei daher auch nicht, die exakten, umfassenden Simulationen in den späteren Entwicklungsphasen zu ersetzen, sondern gezielt um Lösungen für die Entscheidungsfindung in der Phase des Grobentwurfes zu ergänzen.

 

Um die Simulationen nahezu in Echtzeit zu berechnen und zu visualisieren, ist es zusätzlich erforderlich, die Leistung der Simulatoren sinnvoll zu verschlanken. Dies erreichen die Forscher dadurch, dass sie ihre Simulationslösungen gezielt auf die Betrachtung einzelner Teilprobleme beschränken. Damit sie erkennen können, ob eine Entwurfsvariante des Dachhimmels brauchbar ist, reicht es beispielsweise völlig aus, Belastungsspitzen der Verformung anzuzeigen. Auf ein detailliertes Berechnen über das gesamte Bauteil und alle Parameter kann für die Entscheidungsfindung beim Groblayout verzichtet werden. „Der notwendige Spagat zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit ist die entscheidende Herausforderung, die wir je nach Simulationsziel nur in enger Zusammenarbeit mit den jeweiligen Nutzern des Systems lösen können“, resümiert Stork.

 

Die Fraunhofer-Forscher arbeiten derzeit unter anderem an der Weiterentwicklung von Echtzeitsimulationen für deformierbare Objekte. Dazu gehören beispielsweise Dachhimmel oder Dichtungen und Fußmatten für Fahrzeuge. Eine weitere Anwendungsdomäne sind Strömungssimulationen für die Karosserie und die Tragflächen von Flugzeugen oder die Verteilung von Hitze und das Design von Kühlprozessen. Gleichzeitig entwickelt das Fraunhofer IGD Methoden, die auch eine Koppelung verschiedener Simulatoren auf der Grafikhardware ermöglichen sollen. Den Entwicklern wollen sie damit konstruktionsbegleitende Simulationswerkzeuge für unterschiedlichste Konstruktionsaufgaben an die Hand geben. Unter anderem könnten damit das Zusammenspiel zwischen Fluiden und anderen Werkstoffen in Echtzeit überprüft werden, etwa um Fragestellungen der Beziehung zwischen Tankhüllendesign und Kraftstoffverhalten explorativ zu klären.

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