An der TU Wien entstand eine Finite Elemente-Software, die präzise und schnelle Berechnungen ermöglicht – auch in schwierigen Simulationsaufgaben. Der Download von NGSolve ist gratis und die Forscher stellen ihr Know-how Firmen zur Verfügung, die an Lösungen für konkrete Aufgabenstellungen arbeiten.
Die Methode der finiten Elemente ist ein numerisches Verfahren, das bei unterschiedlichen physikalischen Aufgabenstellungen angewendet wird – wie etwa bei der Untersuchung von Festigkeit und Verformung von geometrisch komplexen Körpern. Beispiele für deren Anwendung sind das Simulieren von Crashtests bei Autos oder das Strömungsverhalten von Gas in einer kompliziert geformten Röhre.
Bei der Finite Elemente-Methode werden zu untersuchende Körper in kleine Einzelelemente zerlegt, um am Computer berechnet werden zu können – ähnlich den Pixeln bei der Computerdarstellung von Fotos. Die Körper werden in einem passend geformten Gitternetz modelliert, so dass sich deren Verhalten mit Differentialgleichungen beschreiben – und am Computer effizient lösen lässt. Will man den vollen Nutzen aus der Methode ziehen, sind die Ansprüche an die Software allerdings hoch.
NGSolve
Am Institut für Analysis and Scientific Computing der TU Wien möchte man diesen Ansprüchen gerecht werden. Das Team um Professor Joachim Schöberl verfolgt mit seinem Programmpaket NGSolve das Ziel einer schnellen, präzisen und permanent aktuellen Software, die auch schwierige Simulationsaufgaben löst. Die wesentlichen Kriterien benennt man folgend:
- stets aktualisierte Algorithmen gemäß dem Stand der mathematischen Forschung;
- optimiert für exzellente Parallelisierbarkeit;
- einsetzbar für die Lösung physikalisch komplizierter Multiskalen-Problemen;
Algorithmen
„Im Bereich von Algorithmen wird viel geforscht, uns ist es wichtig, eine Software zur Verfügung zu stellen, die den allerneuesten Stand der Wissenschaft effizient für Anwender einsetzt“, erklärt Schöberl. Dadurch werden die Ergebnisse genauer und die Berechnungen deutlich schneller. Der Faktor Geschwindigkeit ist besonders für schwierige Simulationsaufgaben entscheidend, deren Berechnungen durch den zeitlichen Aufwand limitiert sind.
Parallelisierbarkeit
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.
Multiskalenprobleme
Besonders schwierig zeigt sich die Lösung von Multiskalenproblemen, bei denen es um die Erfassung verschiedener Effekte auf unterschiedlichen Größenskalen geht. Schöberl erklärt den Effekt anhand der Simulation eines Transformatorblechs, einem weichmagnetischen Werkstoff für Magnetkerne: „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“.
Gratis
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. Den Link finden Sie hier
Die Forscher suchen den Kontakt zu interessierten Unternehmen und werden das Programmpaket auf der Hannover Messe präsentieren, die vom ersten bis fünften April stattfindet. Sie wollen ihr Know-how für die Entwicklung von Lösungen für konkrete Aufgabenstellungen und die optimale Einbindung von NGSolve in bestehende Workflows zur Verfügung stellen.
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