Multiphysik-Modellierung und Standalone-Simulations-Apps als Innovationsmotor

Multiphysikalische Modellierung und Simulation hilft Unternehmen, schneller, intelligenter und kostengünstiger innovativ zu sein. Die Integration der COMSOL Multiphysics^® Software in den F&E-Workflow ermöglicht es Ingenieurteams, genaue Modelle von realen Designs, Geräten und Prozessen zu erstellen und ihre eigenen unabhängigen Simulations-Apps zu entwickeln, um die Vorteile der multiphysikalischen Modellierung an mehr Teams, Abteilungen und Kunden weiterzugeben. Dies führt letztlich zu einem besseren Verständnis des Produktverhaltens und zu schnelleren Antworten während des Entwicklungszyklus.

Heute erscheint Version 6.4 von COMSOL Multiphysics^®, die die Software durch schnellere Simulationen für alle Physikbereiche mit GPU-beschleunigten Lösern, ein neues Produkt zur Simulation der Bewegung fester Partikel in Massenprozessen und ein neues Framework für die zeitexplizite Strukturdynamikanalyse noch leistungsfähiger macht.

Warum Multiphysik?

Modelle stellen reale Gegenstücke dar, und unsere Welt ist von Natur aus multiphysikalisch. Mit anderen Worten: Die Fähigkeit, zwei oder mehr physikalische Phänomene vollständig miteinander zu koppeln, ist essenziell für die Erstellung numerischer Simulationen, die die Realität genau nachbilden.

Betrachten wir als Beispiel einen Lautsprecher. Wir könnten in einem Einzelphysik-Modell lediglich das Magnetfeld in der Schwingspule berechnen, aber es könnte sinnvoller sein, auch zu untersuchen, wie das Magnetfeld mit den anderen Lautsprecherkomponenten interagiert, um Kraft und Schwingungen zu erzeugen. Mit COMSOL Multiphysics^® ist es einfach, so viele physikalische Phänomene hinzuzufügen und zu koppeln, wie es für ein realistisches Modell erforderlich ist. Im Fall des Lautsprechers würden wir für eine vollständige Analyse Elektromagnetik, Strukturmechanik und Akustik miteinander verbinden. Es gibt keine Einschränkungen bezüglich der Anzahl oder der Art von Phänomenen, die Sie in Ihren COMSOL-Modellen koppeln können.

Links: Ein Einzelphysik-Lautsprechermodell zur Veranschaulichung der elektromagnetischen Kraft, die auf die Schwingspule wirkt. Rechts: Ein Multiphysik-Modell, das auch die Akustik-Struktur-Interaktion berücksichtigt.

Dennoch ist die COMSOL Multiphysics^® Software eine Modellierungs- und Simulationsplattform, die sowohl vollständig gekoppelte Multiphysik- als auch Einzelphysik-Modellierungsfunktionen bietet. Dies bedeutet, dass Ingenieure und Wissenschaftler aus verschiedenen Industrien und Disziplinen eine Modellierungssoftware mit einer einheitlichen Benutzeroberfläche für alle Arten von Modellen verwenden können. Kurz gesagt hilft die Multiphysik-Modellierung Unternehmen, intelligentere Designentscheidungen zu treffen, neue Ideen zu entwickeln, die Kosten für physische Prototypen und Experimente zu senken und die Produktentwicklung zu beschleunigen.

Da Modelle reale Gegenstücke darstellen, müssen sie sich nach den Gesetzen der Physik verhalten, aber es ist auch wichtig, wie sie aussehen. Durch das Hinzufügen der richtigen Textur und Farben sowie einer durchdachten Beleuchtung wird es einfacher, das Modell als das reale Objekt zu visualisieren, das es repräsentiert, und den zugrunde liegenden Prozess zu verstehen. Abhängig von der Art der Analyse, die Sie durchführen, kann die Wahl des Plot-Typs oder der Farbtabelle auch Einfluss darauf haben, wie Sie die Ergebnisse interpretieren. Die COMSOL Multiphysics^®-Softwareplattform umfasst Funktionen zum Erstellen von Geometrien, Zuweisen von Materialien und Vernetzen sowie eine Vielzahl von Visualisierungsfunktionen.

Überblick über die COMSOL^® Modellierungs- und Simulationssoftware

Der simulationsgestützte F&E-Workflow ist dann am erfolgreichsten, wenn Kollegen aus verschiedenen Teams, Abteilungen, Organisationen und Unternehmen Zugang zu präzisen Modellen haben und zur Erstellung dieser Modelle beitragen können, die für Innovation, Design und Optimierung genutzt werden können. Zu diesem Zweck umfasst die COMSOL Multiphysics^® Plattform drei Hauptarbeitsbereiche:

• Model Builder
  • Enthält alle Funktionen, die Modellierungs- und Simulationsspezialisten benötigen, um physikbasierte Modelle zu erstellen, zu lösen, zu visualisieren und zu bewerten.
• Application Builder
  • Bietet den Modellierungsspezialisten benutzerfreundliche Werkzeuge zur Erstellung von spezialisierten Simulations-Apps für Kollegen und Kunden.
• Model Manager
  • Bietet einen strukturierten Arbeitsbereich für die Organisation von Modellen und Apps, mit Versionskontrolle, Such- und Filterfunktionen und effizienter Speicherung sowie die Funktion, Modellierungssequenzen aus einem Modell zu kopieren und in einem anderen wiederzuverwenden.

Links: Der Model Builder mit dem Aufbau und den Ergebnissen eines IGBT-Moduls, welches ein Multiphysik-Modell ist. Mitte: Der Application Builder, wie er beim Erstellen einer Simulations-App erscheint. Rechts: Der Model Manager, der die Funktion zum Vergleich zweier Modelldateien demonstriert.

Eine Softwareumgebung für alle Engineering-Bereiche

Je nach Aufgabenstellung kann es sinnvoll sein, die Kernfunktionalität der Modellierung durch spezielle Funktionen zu erweitern. Es gibt verschiedene Add-On-Module, die Funktionen speziell für Elektromagnetik, Strukturmechanik, Akustik, Strömung, Wärmetransport und chemische Verfahrenstechnik enthalten. Da es sich bei der COMSOL^® Software um eine Multiphysik-Software handelt, lässt sich die gesamte Produktpalette nahtlos über das Plattformprodukt verbinden. Außerdem können Sie über die LiveLink™-Produkte problemlos Schnittstellen zu CAD- und anderer Software von Drittanbietern herstellen.

Tipp: Sehen Sie in der User Story Gallery, wie Organisationen auf der ganzen Welt COMSOL Multiphysics^® nutzen.

Eigenständige Simulations-Apps beschleunigen Innovation

Jeder, der über eine COMSOL Multiphysics^® Software-Lizenz verfügt, kann seine eigenen Simulations-Apps entwickeln und verwalten. Jeder, der auch COMSOL Compiler™ hinzufügt, kann seine Apps in eigenständige ausführbare Dateien verwandeln, die an jeden verteilt und überall auf der Welt verwendet werden können. Durch Standalone-Apps können Kollegen Designvarianten testen, ohne die Zeit des Modellierungsspezialisten in Anspruch zu nehmen. Selbst bei großer Entfernung vom Modellierungsspezialisten können Apps verwendet werden, um Ergebnisse auf der Grundlage spezifischer Eingaben vorherzusagen und Entscheidungen auf der Grundlage von Simulationsergebnissen zu treffen, ohne zu wissen, wie das zugrunde liegende Modell eingerichtet und ausgeführt wird (oder in einigen Fällen ohne überhaupt zu wissen, dass Multiphysik-Simulation verwendet werden).

Die Drag-and-Drop-Funktionalität von Komponenten und Widgets der Benutzeroberfläche im Application Builder macht es einfach, Apps zu erstellen, die benutzerdefinierte Interfaces mit Eingaben und Ausgaben, die auf einen bestimmten Bedarf zugeschnitten sind, enthalten und dem App-Nutzer alle Vorteile der Simulation bieten, ohne dass er sich um die Erstellung des zugrunde liegenden Modells kümmern muss. Das Kompilieren zu Standalone-Apps ist so einfach wie ein Mausklick, und es ist Ihre Entscheidung, ob Sie Ihre Apps verkaufen oder kostenlos zur Verfügung stellen wollen, ob Sie sie mit einem Passwortschutz versehen oder uneingeschränkt teilen wollen, ob Sie ein Ablaufdatum festlegen wollen und vieles mehr. Wenn Sie Ihre eigenen Standalone-Apps mit der COMSOL^® Software erstellen, haben Sie die volle Kontrolle darüber, wie viele Apps Sie erstellen und an wen und wie Sie diese weitergeben.

Einige Organisationen bevorzugen die vollständige Kontrolle darüber, wer Zugriff auf ihre Simulations-Apps hat und welche Versionen der Apps verfügbar sein sollen. In diesem Fall können sie ihre Apps über ihre eigene COMSOL Server™-Umgebung hochladen, verwalten und ausführen, anstatt sie zu eigenständigen Apps zu kompilieren. COMSOL Server™ enthält Werkzeuge für die Verwaltung des Benutzerzugriffs auf Apps, Benutzerkonten und Gruppen sowie für die Multiprozessornutzung.

Erstellung blitzschneller Simulations-Apps mit Ersatzmodellen

Der Application Builder in COMSOL Multiphysics^® sowie das Add-On-Produkt COMSOL Compiler™ gibt es schon seit vielen Jahren. Im Jahr 2023 haben wir dann die Entwicklung blitzschneller Apps ermöglicht, indem wir eine Funktion für das Training von Ersatzmodellen mithilfe von maschinellem Lernen eingeführt haben. Wenn Sie datenbasierte Ersatzmodelle in Ihre Simulations-Apps integrieren, erhalten die Benutzer der Apps nahezu sofort Simulationsergebnisse auf der Grundlage ihrer Eingaben. Das liegt daran, dass Ersatzmodelle darauf trainiert sind, das Verhalten von rechenintensiveren, vollwertigen Finite-Elemente-Modellen zu approximieren, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren. Mit Version 6.3 der Software war es möglich, schnell Ersatzmodelle mit GPU-basierter Trainingsunterstützung zu erstellen sowie Ersatzmodelle zu verwenden und Simulations-Apps mit externen Sensoren, Datenbanken und Webdiensten zu verknüpfen. Mit diesen Updates konnten Anwender Apps als effektive digitale Zwillinge erstellen und einsetzen.

Mit der Veröffentlichung von COMSOL Multiphysics^® Version 6.4 können Anwender nun Netzwerkparameter für Ersatzmodelle mit Deep Neural Networks (DNN) exportieren und Batch- und Cluster-Computing für die Generierung von Trainingsdaten für Ersatzmodelle durchführen, was eine effiziente parallele Berechnung für große Trainingsdatensätze ermöglicht.

Weitere Neuerungen in der neuesten Version von COMSOL Multiphysics^®

Die neue Version der COMSOL Multiphysics^® Plattform bietet GPU-beschleunigte Simulationen für alle Physikbereiche, zeitexplizite Strukturdynamik, ein neues Produkt für granulare Strömungen und zahlreiche neue Features in der gesamten Produktpalette, um Anwendern noch bessere Modellierungsmöglichkeiten als zuvor zu bieten.

Niemand wartet gerne, insbesondere wenn es um die Ergebnisse von Modellen geht. Unsere Entwickler arbeiten kontinuierlich daran, die Geschwindigkeit der Löser zu verbessern, um die Lösungszeit für verschiedene Modelle zu verkürzen, ohne dabei die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Angesichts der Vielfalt moderner Hardwarearchitekturen ist die Leistungsfähigkeit auch eng mit der Nutzung dieser Plattformen, einschließlich NVIDIA-GPUs, verbunden. In diesem Sinne bietet COMSOL Multiphysics^® eine Vielzahl von numerischen Lösern und Einstellungen für die Simulation einer breiten Palette von Designs, Geräten und Prozessen auf CPUs und nun auch auf NVIDIA-GPUs.

Ein in der Software verfügbarer Lösertyp sind direkte Löser, die zuverlässige Leistung für hochgradig gekoppelte multiphysikalische Probleme bieten und häufig in Bereichen wie der Strukturmechanik eingesetzt werden.

In Version 6.4 wird die Auswahl an direkten Lösern der Software um den NVIDIA CUDA® Direct Sparse Solver (cuDSS) erweitert, der GPU-Unterstützung für alle Physikbereiche bietet. cuDSS ist ein GPU-beschleunigter direkter Löser, der für hybride CPU-GPU-Berechnungen optimiert ist und mit allen aktuellen NVIDIA®-GPU-Karten verwendet werden kann. cuDSS ist für Einzel-GPU- oder Multi-GPU-Konfigurationen verfügbar und kann die Geschwindigkeit sowohl von Einzel- als auch von Multiphysik-Simulationen erheblich steigern. Es ist besonders vorteilhaft für eng gekoppelte nichtlineare Probleme und Modellierungsszenarien, in denen bereits direkte Löser verwendet werden. Tests mit Benchmark-Modellen mit diesem Löser haben eine Beschleunigung um das Fünffache oder mehr gezeigt.

Akustisches Transferimpedanzmodell eines perforierten Elements mit 1,75 Millionen Freiheitsgraden, berechnet mit dem neuen cuDSS-Löser.

In der vorherigen Version der Software haben wir einen beschleunigten Löser (der sich vom neuen cuDSS-Löser unterscheidet) für das Interface Pressure Acoustics, Time Explicit im Acoustics Module eingeführt. Dieser Löser führte erstmals GPU-Unterstützung für die Simulation von Druckakustik im Zeitbereich ein und nutzte dabei die CUDA-X (cuBLAS)-Bibliothek, wodurch Anwender, die sich mit Raum- und Fahrzeuginnenraumakustik befassen, ihre Modellierungsergebnisse deutlich schneller als zuvor bekamen. In Version 6.4 unterstützt dieser Löser nun mehrere GPUs auf einem einzelnen Rechner sowie GPUs in Clusterkonfigurationen. Dank dieser Weiterentwicklung laufen Akustiksimulationen von Räumen und Fahrzeugkabinen noch schneller, und der Modellmaßstab kann in Bezug auf die aufgelösten Wellenlängen erhöht werden.

Um zu demonstrieren, wie viel schneller die Ausführung zeitabhängiger Druckakustik mit Multi-GPU-Unterstützung ist, haben wir einen Test mit unserem Tutorial-Modell Car Cabin Acoustics — Transient Analysis durchgeführt. Die Gesamtzeit für die Berechnung und Ergebnisanalyse in der ersten Studie des Modells betrug in Version 6.3 57 Minuten; in Version 6.4 konnte diese Dauer bei Verwendung einer einzelnen GPU (NVIDIA® RTX 6000 Ada) auf 50 Minuten reduziert werden. Bei der Ausführung der Simulation auf zwei GPU-Karten halbierte sich die Zeit nahezu auf 29 Minuten.

Hinweis: Das Interface Pressure Acoustics, Time Explicit wird bei Verwendung einer einzelnen GPU für alle Lizenztypen unterstützt, erfordert jedoch bei Verwendung mehrerer GPUs eine Netzwerk-Lizenz (FNL).

Akustiksimulationen von Innenräumen, wie beispielsweise diese Simulation einer Fahrzeugkabine, profitieren nun von der NVIDIA®-GPU-Beschleunigung in COMSOL Multiphysics^® Version 6.4, die schnellere und skalierbarere Analysen ermöglicht.

Granular Flow Module

Ein neues spezialisiertes Add-On für die COMSOL Multiphysics^®-Plattform ermöglicht die Modellierung granularer Prozesse wie Trichterentleerung, Silolagerung, Rutschentransport, Pulververteilung und Mischen. Das Add-On verfügt über Funktionen, mit denen Wechselwirkungen auf Partikelebene wie Kollisionen, Adhäsion, Rotationswiderstand und Wärmetransport aufgelöst werden können. Seine Funktionalität unterstützt Ingenieure und Forscher dabei, Einblicke sowohl in die Dynamik von Partikeln im Mikrobereich als auch in das Verhalten von Schüttgütern im Makrobereich zu gewinnen.

Branchen und Bereiche, in denen das Verständnis des Verhaltens von Schüttgütern für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb von entscheidender Bedeutung ist, werden dieses Modul als besonders wichtig erachten, darunter die pharmazeutische Industrie, die chemische Verarbeitung, die Landwirtschaft, der Bergbau und die additive Fertigung.

Hier erfahren Sie mehr über das Granular Flow Module.

Getreide wird mittels eines Schneckenförderers transportiert. Die Getreidekörner sind entsprechend ihrer Freisetzungszeit farbig gekennzeichnet.

Explizite Strukturdynamik

Um eine weitere wesentliche Verbesserung der Version 6.4 zu veranschaulichen, betrachten wir ein Mobiltelefon. Der Touchscreen und die Schaltflächen sind mechanische und elektrische Elemente, die zusammenwirken, während in den Batterien chemische Reaktionen ablaufen, bei denen unter anderem Ionen und elektrischer Strom eine Rolle spielen. Die Software hat die Simulation solcher Wechselwirkungen schon immer erleichtert, jedoch gab es bisher ein wichtiges Szenario, das Anwender nicht simulieren konnten.

Mit der neuesten Version können Anwender nun zeitexplizite Strukturdynamikanalysen durchführen. Im Fall des Mobiltelefons ermöglicht diese neue Funktionalität die Analyse der Auswirkungen eines Falltests auf das Telefon. Auf diese Weise lassen sich die Bereiche des Aluminiumgehäuses identifizieren, die bei diesem Test beschädigt würden, und anhand der Fallhöhe verfolgen, wo sich der Schaden ausbreiten würde. Die zeitexplizite Strukturdynamikanalyse ist ebenso wichtig für die Verfolgung anderer schneller, vorübergehender und stark nichtlinearer Ereignisse wie Aufprall, Quetschung, Metallumformung und Ausbreitung elastischer Wellen.

Dank expliziter Strukturdynamikfunktionen ermöglicht die Version 6.4 von COMSOL Multiphysics^® eine neue Klasse von Simulationen, darunter Falltests für tragbare Unterhaltungselektronik.

Die explizite Formulierung unterstützt eine Vielzahl nichtlinearer Strukturmaterialien, darunter:

• Hyperelastisch
• Plastisch
• Viskoplastisch
• Kriechen

Die Funktionalität für zeitexplizite Strukturdynamikanalysen kann auch in Verbindung mit der neuen Funktionalität für die Kontaktmodellierung verwendet werden. In Version 6.4 ist es nun möglich, eine Kontaktmodellierung durchzuführen, die automatisch Kontaktbedingungen zwischen vielen Objekten festlegt. Dies ermöglicht die einfache Erstellung von Modellen mit einer großen Anzahl möglicher Kontaktinteraktionen.

Ein Turm aus Holzklötzen, der von einer Kugel getroffen wird. In dieser Simulation gibt es 56 Objekte, die auf eine Weise miteinander interagieren können, die sonst schwer vorhersagbar wäre.

Nächste Schritte

Neu bei COMSOL Multiphysics^®? Lassen Sie uns wissen, woran Sie arbeiten, und wir werden Ihnen die für Sie relevanten Informationen bereitstellen.

Wenn Sie sich ausführlich über alle Software-Updates informieren möchten, sehen Sie sich die COMSOL Multiphysics^® Version 6.4 Release Highlights an.

 
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