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Benchmarktests belegen Wettbewerbsfähikgkeit von FEMLAB
gegenüber spezialisierter Modellierungssoftware
Zwei universitäre Forschungsgruppen haben Benchmarktests dreier führender Softwarepakete - FEMLAB, ANSYS und Fluent - abgeschlossen. Sie belegen, dass Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit durchaus mit hoher Leistungsfähigkeit in Einklang zu bringen sind.
Wissenschaftliche Modellierungssoftware ist zumeist dafür ausgelegt, von komplexen Aufgabenstellungen nur einzelne Teilbereiche zu lösen. Man könnte daraus schliessen, dass Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit verloren gehen, wenn umfangreiche Aufgaben mit einer Multifunktions-Software gelöst werden, die darüberhinaus Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit verspricht. Die Einführung der neuen Version 3.0a der Multiphysik Software FEMLAB beweist jedoch das Gegenteil: Unabhängige Benchmarktests bestätigen, dass die neue Version 3.0a von FEMLAB nun die Lücke schliesst, die die zwei Klassen von wissenschaftlicher Software kürzlich noch trennte.
Wissenschaftliche Modellierungssoftware ist zumeist dafür ausgelegt, von komplexen Aufgabenstellungen nur einzelne Teilbereiche zu lösen. Man könnte daraus schliessen, dass Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit verloren gehen, wenn umfangreiche Aufgaben mit einer Multifunktions-Software gelöst werden, die darüberhinaus Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit verspricht. Die Einführung der neuen Version 3.0a der Multiphysik Software FEMLAB beweist jedoch das Gegenteil: Unabhängige Benchmarktests bestätigen, dass die neue Version 3.0a von FEMLAB nun die Lücke schliesst, die die zwei Klassen von wissenschaftlicher Software kürzlich noch trennte.
Ein universelles Werkzeug - so gut wie ein Spezialpaket
FEMLAB ist ein Multiphysikpaket, welches sich zur Berechnung von physikalischen Phänomenen eignet, die sich mit partiellen Differentialgleichungen (PDE) beschreiben lassen. Dieser Fokus auf die PDEs macht FEMLAB sowohl in Spezialgebieten, als auch zwischen verschiedenen Anwendungsbereichen so erfolgreich. "Wir sahen keinen Grund, warum generell und flexibel heissen sollte, dass man - im Vergleich zu anderen Paketen, die für eine ganz spezielle Anwendung entwickelt wurden - auf Effizienz und Leistungsfähigkeit verzichtet," erklärt Svante Littmarck, CEO von COMSOL Inc. "Im Grunde bedeutet die Berechnung von strukturmechanischen Eigenschaften, Strömungssimulationen, Elektromagnetik oder Akustik doch immer, dass man PDEs löst."
FEMLAB benutzt modernste Solver, entsprechend denen, die auch von spezialisierter Software genutzt werden. "Weil die Codes dieselben Algorithmen für die berechnungsintensiven Aufgaben benutzen", so Littmark, "haben wir angenommen, dass wir ein generelles Paket entwickeln können - genauso schnell, exakt und speichereffizient wie spezialisierte Programme. Wir haben Ergebnisse vorhandener Benchmarktests genutzt, die uns halfen, Schwachstellen in unseren eigenen Codes zu aufzudecken. Mit der aktuellen Version FEMLAB konnten wir sie überwinden."
FEMLAB benutzt modernste Solver, entsprechend denen, die auch von spezialisierter Software genutzt werden. "Weil die Codes dieselben Algorithmen für die berechnungsintensiven Aufgaben benutzen", so Littmark, "haben wir angenommen, dass wir ein generelles Paket entwickeln können - genauso schnell, exakt und speichereffizient wie spezialisierte Programme. Wir haben Ergebnisse vorhandener Benchmarktests genutzt, die uns halfen, Schwachstellen in unseren eigenen Codes zu aufzudecken. Mit der aktuellen Version FEMLAB konnten wir sie überwinden."
Benchmarktests
FEMLAB 3.0a wurde von zwei unabhängigen Forschergruppen bewertet: Das Rechenzentrum der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm, Schweden und das Zentrum für Mathematikwissenschaften am Technologiezentrum in Lund, Schweden. Die Berichte enthalten alle Details der Vergleiche zwischen FEMLAB 3.0a und den Wettbewerbern ANSYS und Fluent und sind im Internet verfügbar unter:
Die Untersuchungen beziehen sich auf bekannte Probleme, in denen klare und exakte Parameter als Referenzgrössen existieren. Die strukturmechanischen Fähigkeiten wurden unter Berücksichtigung bekannter Probleme aus NAFEMS-Publikationen (National Agency for Finite Element Methods and Standards) und ANSYS Handbüchern evaluiert. Die strömungsdynamischen Berechnungen wurden mit bekannten Modellen der wissenschaftlichen Literatur getestet.
- Benchmark of FEMLAB, Fluent and ANSYS by Olivier Verdier, Lund Institute of Technology, Centre for Mathematical Sciences and Numerical Analysis
http://www.maths.lth.se/na/staff/olivier/BenchmarkReport2.pdf - Benchmarking FEMLAB 3.0a: Laminar Flows in 2D by Michael Hanke, Royal Institute of Technology (Stockholm), Department of Numerical Analysis and Computer Science, Parallel and Scientific Computing Institute.
http://www.psci.kth.se/Activities/Reports/Results/2004/benchm.pdf
Die Untersuchungen beziehen sich auf bekannte Probleme, in denen klare und exakte Parameter als Referenzgrössen existieren. Die strukturmechanischen Fähigkeiten wurden unter Berücksichtigung bekannter Probleme aus NAFEMS-Publikationen (National Agency for Finite Element Methods and Standards) und ANSYS Handbüchern evaluiert. Die strömungsdynamischen Berechnungen wurden mit bekannten Modellen der wissenschaftlichen Literatur getestet.
Die Lücke schliessen
Die folgenden Tabellen geben einen Überblick über die wesentlichen Benchmarkresultate. Entscheidende Parameter sind Genauigkeit, Rechenzeit und die Höchstwerte des Speicherverbrauchs. Die Studien präsentieren die exakten Werte als negativen Logarithmus von der relativen Abweichung von einem Referenzwert - je grösser der Wert, desto höher die Genauigkeit. Ein Genauigkeitswert von 1.0 stimmt zu 90% mit dem exakten Wert überein; ein Wert von 2.0 zu 99%; ein Wert von 3.0 zu 99,9% und so weiter. Die Problemgrösse wird durch die Zahl der Freiheitsgrade bestimmt.
In diesem Model sind Grösse und CPU-Zeit zwischen FEMLAB und ANSYS annähernd gleich; FEMLAB erzielt mit weniger Speicherkapazitäten jedoch genauere Ergebnisse.
In diesem Beispiel sind die Grössen fast identisch. Verglichen mit seinem Konkurrenten erreicht FEMLAB dieselbe Genauigkeit für die Hauptspannung, eine höhere Genauigkeit für die Auslenkung unter Verwendung von geringeren Speicherkapazitäten und mit vergleichbaren CPU-Zeiten.
In diesem Vergleich sind die Problemgrössen fast identisch. Während das FEMLAB Modell mehr Speicherkapazitäten benötigt, sind die Ergebnisse etwas genauer und benötigen weniger Rechenzeit als die des Konkurrenten.
"Wir sind stolz, dass wir unsere Multiphysik-Software auf ein Level heben konnten, welches Wissenschaftler und Ingenieure sonst nur von einem spezialisierten Programm erwarten," sagt Littmark. "Benchmarktests sind für die Anwender von grosser Bedeutung, so dass wir in näherer Zukunft weitere Benchmarktests durchführen lassen werden."
Strukturmechanik:
Elliptische Membran, linear-elastische Spannungsanalyse in y-Richtung| Programm | Anzahl der Freiheits-grade(in Tausend) | Speicher-höchstwert(MB) | CPU Zeit(Sek.) | Spannung in Y-Richtung Genauigkeit |
|---|---|---|---|---|
| Ansys 7.1 | 74 | 180 | 10 | 2.67 |
| FEMLAB 3.0a | 76 | 135 | 9 | 3.12 |
In diesem Model sind Grösse und CPU-Zeit zwischen FEMLAB und ANSYS annähernd gleich; FEMLAB erzielt mit weniger Speicherkapazitäten jedoch genauere Ergebnisse.
Strukturmechanik:
Eingebaute Platte, linear-elastische Analyse von displacement und Hauptspannung| Programm | Anzahl der Freiheits-grade(in Tausend) | Speicher-höchstwert(MB) | CPU Zeit(Sek.) | Auslenkung Genauig-keit | Prinzipielle Spannungs-genauigkeit |
|---|---|---|---|---|---|
| Ansys 7.1 | 101 | 547 | 72 | 1.22 | 1.05 |
| FEMLAB 3.0a | 101 | 309 | 85 | 1.38 | 1.07 |
In diesem Beispiel sind die Grössen fast identisch. Verglichen mit seinem Konkurrenten erreicht FEMLAB dieselbe Genauigkeit für die Hauptspannung, eine höhere Genauigkeit für die Auslenkung unter Verwendung von geringeren Speicherkapazitäten und mit vergleichbaren CPU-Zeiten.
Strömungssimulationen:
Laminarer Fluss um einen Zylinder in 2D. Der Zylinder ist leicht unsymmetrisch im Kanal positioniert. Daher entsteht eine Auftriebskraft, gemessen als Auftriebskoeffizient. Die Widerstandskraft des Zylinders wird gemessen als Widerstandskoeffizient.| Programm | Anzahl der Freiheits-grade(in Tausend) | Speicher-höchstwert(MB) | CPU Zeit(Sek.) | Widerstands-koeffizient Genauigkeit | Auftriebs-koeffizient Genauigkeit |
|---|---|---|---|---|---|
| Fluent 6.1.18 | 109 | 67 | 450 | 1.97 | < 1 |
| FEMLAB 3.0a | 101 | 371 | 108 | 4.75 | 2.13 |
In diesem Vergleich sind die Problemgrössen fast identisch. Während das FEMLAB Modell mehr Speicherkapazitäten benötigt, sind die Ergebnisse etwas genauer und benötigen weniger Rechenzeit als die des Konkurrenten.
"Wir sind stolz, dass wir unsere Multiphysik-Software auf ein Level heben konnten, welches Wissenschaftler und Ingenieure sonst nur von einem spezialisierten Programm erwarten," sagt Littmark. "Benchmarktests sind für die Anwender von grosser Bedeutung, so dass wir in näherer Zukunft weitere Benchmarktests durchführen lassen werden."
FEMLAB
Die neue Version 3.0a von FEMLAB (Finite Element LABoratory) besitzt Hochleistungssolver, die auch bei komplexen Aufgabenstellungen exakte Resultate erzielen. Mit FEMLAB können alle physikalischen Phänomene simuliert werden, die sich durch partielle Differentialgleichungen beschreiben lassen. Also zum Beispiel elektromagnetische Felder, Wärmegleichungen, Strömungs-, oder strukturmechanische Eigenschaften. In 1D, 2D oder 3D bietet Femlab ideale Möglichkeiten, numerische Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode durchzuführen. Darüber hinaus lassen sich mit FEMLAB auch multiphysikalische Phänomene, also Wechselwirkungen, in einem einzigen Modell simulieren.
FEMLAB GmbH
Die FEMLAB GmbH ist die deutsche Niederlassung von COMSOL AB (Stockholm) und seit 2001 auf dem deutschen Markt aktiv. Die Simulationssoftware Femlab wurde von COMSOL AB selbst entwickelt.
© FEMLAB ist eingetragenes Warenzeichen von COMSOL AB. MATLAB ist eingetragenes Warenzeichen von The MathWorks, Inc.
© FEMLAB ist eingetragenes Warenzeichen von COMSOL AB. MATLAB ist eingetragenes Warenzeichen von The MathWorks, Inc.
