30.06.2021 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

CFD-Simulationen mit Fugaku: Bisher Unmögliches wird nun machbar

Quelle: Hexagon

Mit dem Supercomputer Fugaku lassen sich komplexe CFD-Simulationen ausführen, die bisher zu zeitaufwändig und teuer waren. Experten des Simulationsspezialisten Hexagon arbeiteten eng mit Fujitsu Limited zusammen, um den Cradle CFD-Code für den Betrieb auf Fugaku abzustimmen und Testsimulationen durchzuführen.

  • Die Division Manufacturing Intelligence von Hexagon demonstriert, wie sich mit dem schnellsten Supercomputer der Welt, Fugaku, neue Produktentwicklungen beschleunigen lassen.
  • Mit Fugaku lassen sich komplexe CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) ausführen, die bisher zu zeitaufwändig und teuer waren.

Die Division Manufacturing Intelligence von Hexagon hat aufgezeigt: Die Funktionalität von Flugzeugen und Elektrofahrzeugen der nächsten Generation kann mit Hilfe von CFD-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. Dann lässt es sich simulieren, um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten. Unter Umständen müssen Ingenieure 90 Prozent der Arbeitszeit für diesen manuellen Prozess aufwenden. 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.

CFD-Simulationen mit Supercomputer schnell und einfach ausführen

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 große Veränderung für Ingenieure in verschiedenen Bereichen, wie zum Beispiel der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie dem Bauwesen. Sie alle profitieren von den Möglichkeiten, die CFD-Simulationen bieten. 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 es die Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit eines Fahrzeugs 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.

Zusammenarbeit bei Abstimmungen und Testsimulationen

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 Familien-PKW 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 1’000 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.

Transsonische Analyse für Konstruktion sicherer und effizienter Flugzeuge

Das Team hat erfolgreich eine Testsimulation von transsonischen 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.

Bild: Simulation eines typischen Familien-PKWs n seiner Gesamtheit: Möglich nur mit erhöhter Rechenleistung. Bildquelle: Hexagon

Weitere Informationen: https://www.hexagonmi.com/de-DE und https://blog.de.fujitsu.com/produkte-services-loesungen/rundumsrechenzentrum/fugaku-der-aktuell-weltweit-leistungsstaerkste-supercomputer/

Erfahren Sie hier mehr über ein neues Verfahren für die Strömungssimulation, das die Rechendauer verkürzt.

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