Simulation Eventkalender & Aktuelles Die Zukunft der Energie Symposium Digitalisierung - Technik in Bayern
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NACHRICHTEN AUS TECHNIK, NATURWISSENSCHAFT UND WIRTSCHAFT
06/2017 NOV/DEZ
Simulation
Eventkalender & Aktuelles
Die Zukunft der Energie
Symposium Digitalisierung
Das Regionalmagazin für VDI und VDE
EDITORIAL
Grenzen der Simulation
Vor wenigen Wochen wütete Hurrikan Im Gegensatz zu Berechnungen kann die
Irma in der Karibik und an der Ostküste Simulation auf Grund eines zeitlichen
der USA. Er gilt als einer der stärksten Verlaufs kein exaktes Ergebnis liefern,
Wirbelstürme, die jemals gemessen wur- sondern sich nur daran annähern. Trotz
den. Der zerstörerische Sturm verursach- höherer Rechnerleistungen und stetig
te Schäden im zweistelligen Milliardenbe- verbesserter Modelle hat jede Simulation
reich sowie Dutzende von Toten. Dennoch somit ihre Grenzen. Dies zeigt auch das
konnten auch Millionen von Menschen Wetterphänomen in der Karibik, dessen
MD ELEKTRONIK ist ein internationaler Automobilzulieferer mit Hauptsitz im bayerischen Waldkraiburg. Mit welt-
rechtzeitig gewarnt und durch Evakuie- Dynamik und zahlreiche Einflussfaktoren
weit über 4.600 Mitarbeitern entwickeln und fertigen wir innovative Datenübertragungslösungen für Automobile
rungsmaßnahmen gerettet werden. Mög- eine exaktere Vorhersage nicht ermög-
und zählen zu den führenden Herstellern in diesem Segment. Produkte von MD ELEKTRONIK sind in über 200
lich ist dies durch Vorhersagemethoden, lichten. Prognosen zu Zugverhalten und
aktuellen Fahrzeugmodellen von mehr als 40 OEMs integriert.
die das Entstehen und den Verlauf von Geschwindigkeiten wurden daher ständig
Hurrikans prognostizieren. aktualisiert und angepasst.
Neben der Firmenzentrale in Waldkraiburg zählen Standorte in China, Mexiko, Tschechien und den USA zu
unserem Produktionsnetzwerk. MD ELEKTRONIK steht nicht nur für Qualität, Sicherheit und Komfort:
Als Technologiepartner der Automobilindustrie begleiten wir unsere namhaften Kunden im gesamten Prozess – Die gute Nachricht: Die Vorhersagen über In diesem Heft rücken wir den Fokus aber
Foto: Privat
wir setzen Impulse, die verbinden. die Bewegung und Intensität eines Hur- auf das aktuell Machbare im Bereich
rikans sind – genau wie Wettervorhersa- Simulation. Das Leibnitz-Rechenzentrum
Zur Verstärkung des Fachbereichs Research am Standort Waldkraiburg suchen wir ab sofort einen gen generell – in den vergangenen Jah- (LRZ) öffnete seine Pforten für uns und
ren viel besser geworden. Dies berichtet Prof. Kranzlmüller berichtete mit seiner
Berechnungsingenieur (m/w) Florence Rabier, die Generaldirektorin des
Europäischen Zentrums für mittelfristige
sympathischen österreichischen Art von
den Entwicklungen und Wirkungsberei-
Ihre Aufgaben Wettervorhersage (EZMW). Mit Hilfe von chen des akademisch-wissenschaftli-
• Durchführung von FEM-Simulationen im Bereich Hochfrequenztechnik z.B. Bestimmung der Streuparameter Datenerhebungen, physikalischen Geset- chen Rechenzentrums.
von HF-Übertragungsstrecken, Ermittlung des Impedanzverlaufs in Steckkomponenten, HF-Optimierung von zen und Differentialgleichungssystemen
Anschlussplatinen werden Simulationsmodelle erstellt, die in Mit Supercomputern wie dem SuperMUC
• Auftragsklärung mit dem Auftraggeber sowie technische Beratung Supercomputern durchgerechnet werden. lässt sich so einiges simulieren. Allei-
• Aufbau der Simulationsmodelle anhand von CAD-Daten ne die Rennteams der Formula Student
• Interpretation und Vorstellung der Simulationsergebnisse durch Präsentationen in Teambesprechungen nutzen die Möglichkeiten der Simulation
• Bestimmung und Pflege von Materialdaten
„Simulation kann als versuchte Vorwegnahme für unterschiedliche Einsatzgebiete, wie
Aerodynamik und Rundenzeiten. Neben
Ihr Profil
der Zukunft bezeichnet werden.“ Anwendungen in technischen Bereichen
• Erfolgreich abgeschlossenes Studium der Elektrotechnik befassen wir uns aber auch mit interes-
• Erste Erfahrung in der FEM-Simulation wünschenswert Bernhard Kramer santen Projekten aus Musik und Gesell-
• Fundierte Kenntnisse in den Bereichen PCB/Multilayer und Patch-Antennen erforderlich M.Sc. schaft. Aber lassen sie mich nicht zu
• Erfahrung in der Untersuchung von Nah- und Fernfeldern viel vorwegnehmen und genießen Sie die
• Fließende Deutsch- und Englischkenntnisse Die schlechte Nachricht ist jedoch: „Eine Lektüre des vorliegenden Heftes. Sie wer-
perfekte Hurrikan-Vorhersage ist un- den sehen, auch wenn die Simulation ihre
Es erwartet Sie ein sehr abwechslungsreiches Aufgabengebiet mit einem hohen Maß an Gestaltungsmöglich-
möglich“, so Rabier. Simulation kann als Grenzen hat, so werden diese Grenzen
keiten, in einem innovativen Experten-Team, bei leistungsgerechter Bezahlung und guten sozialen Leistungen.
Wir legen zudem großen Wert auf die Gesundheit unserer Mitarbeiter, finanzieren ein Fitnessstudio und bieten ein versuchte Vorwegnahme der Zukunft be- stetig verschoben und ausgeweitet!
breites Angebot an gesundheitsfördernden Maßnahmen. zeichnet werden.
Wenn wir Ihr Interesse geweckt haben, freuen wir uns auf Ihre Bewerbung über unser Online Job Portal.
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INHALT
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HOCHSCHULE UND FORSCHUNG
Hochschule München: Lösungen für die Zukunft der Energie 27
Christiane Taddigs-Hirsch
Akaflieg München: Mü 31 hebt ab 33
Tessa Weigelt
TH Nürnberg: Ein Speicher in der Erde für Strom und Wärme 46
Heinz Wraneschitz
VDI/VDE
VDI Bayern Nordost: Partner der iENA 22
VDE Hochschulgruppe 24
VDI München: Willkommen im VDI 26
VDI München: Weltrekorde im Nebel 28
VDI Landesverband Bayern 35
VDI Regensburg: Symposium Digitalisierung 36
VDI Bayern Nordost: AK-Leitertreffen 38
Foto: Universität Stuttgart / VISUS
Um Verhaltens- und Auswirkungsvorhersagen treffen zu können, sind in Zeiten immer
komplexer werdender Systeme Simulationen unabdingbar. Gleichzeitig steigen deren AKTUELLES
Möglichkeiten mit den stetig größer werdenden Rechner- und Speicherleistungen.
VDI-AK Technischer Vertrieb und Produktmanagement München 30
VDI-AK Frauen im Ingenieurberuf Nürnberg 31
Deutsches Museum München 34
c m
a.co
co
VDE Augsburg 47
p d/F
onyy Leopol
Leeopol
opo to a
F toli
d/Fo
SCHWERPUNKT RUBRIKEN
nthon
© An thon
Simulation – die dritte Säule der Wissenschaft 06 Veranstaltungskalender39
Wolfgang Ehlers Buchbesprechungen48
Weltweit unter den Top 20 08
Ausstellungstipp49
Impressum49
Qualikation
Interview mit Dieter Kranzlmüller
Cartoon50 Spezialisierung
Sicherheitskonzepte lebensnah 10 Vorschau50
Christiane Taddigs-Hirsch
Parallelisierung durch Zerlegung 12
Andreas Seibold, Michael Leistner, Daniel Rixen
Nasenbär und Pussy Wagon 14
Daniela Hansjacob VDI Landesverband Bayern
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4 Technik in Bayern 06/2017 Technik in Bayern 06/2017 5 fachliste-technik.bdue.de Bundesverb
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SCHWERPUNKT
Am Ende einer Simulation stehen zunächst einmal unübersichtliche Datensätze,
die erst durch die Visualisierung sichtbar werden, hier dargestellt durch die VISUS-
Powerwall am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart, einer hochauflösen-
den Großprojektionswand, die vom Aufbau her in Europa ihresgleichen sucht.
unabhängig veränderlichen Variablen be- mern hier aber noch viele Möglichkeiten, Allerdings bedarf auch die moderne Si-
schreiben. Für die Lösung dieser Aufga- Einblicke in zeitlich oder räumlich bislang mulation der stetigen Kontrolle und me-
ben lieferte Argyris wesentliche Beiträge unüberschaubare Gebiete zu werfen. thodischen Reflexion. Insbesondere die
durch die Weiterentwicklung der Finite- Schwierigkeit, Unsicherheiten in bestimm-
Elemente-Methode (FEM), die zunächst Chancen und Herausforderungen ten Systemen exakt zu bestimmen, macht
vor allem in der Simulation von Festkör- Die Erfassung realer Prozesse in Model- es erforderlich, die simulierten Ergebnisse
pern, heute aber auch in vielen weiteren len, ihre numerische Simulation und Vi- stets zu hinterfragen oder mit begleiten-
Foto: SimTech/Ausserhofer
physikalischen Fragestellungen wie Wet- sualisierung wird heute standardmäßig den Experimenten abzugleichen.
tervorhersagen oder Anwendungen in der überall dort eingesetzt, wo Theorie und Der Einzug der Simulationstechnologie als
Medizintechnik eingesetzt wird. Experiment zu kurz greifen. Die offen- alternativer Weg zur Erkenntnis kommt ei-
Neben den methodischen Verfahren wa- kundigen Vorteile, die der Simulation den ner Revolution gleich, eröffnet er doch
ren es die bahnbrechenden technischen Vorrang vor einer rein theoretischen oder neuartige Schnittstellen zwischen realen
Entwicklungen der Computertechnologie, aber experimentellen Methode geben, lie- und virtuellen Forschungswelten, die neue
die entscheidend für die Durchsetzung gen etwa in der Kosten- und Zeiterspar- Formen der Wissensproduktion – vom
Simulation – die dritte Säule
der Simulationsverfahren waren. Erst nis. Weiterhin bietet die Simulation in vie- Materialdesign bis zur Biomechanik –
durch die stetig gestiegene Speicher- und len Bereichen eine ethisch unbedenkliche ermöglichen und erfordern.
Rechenleistung wurde es möglich, Simu-
der Wissenschaft
lationen in einer Geschwindigkeit und in
einer Komplexität zu durchzuführen, mit
der sich heute dynamische Systeme vom
Nanobereich bis zur Supernova in über-
„Simulationen bieten nicht nur Auskunft über das,
Modelle geben reale Prozesse und Systeme reduziert wieder und schaubarer Zeit simulieren lassen. was ist, sondern auch über das, was sein könnte.“
machen sie mit Hilfe moderner Simulationen „berechenbar“ Mit der steigenden Leistungsfähigkeit der
Computer seit den 1970er Jahren wurde
es möglich, zunehmend komplexe Sze-
narien und Modelle zu simulieren. Die Überprüfung bestimmter Annahmen und Simulationstechnologie an der
Die Simulationstechnologie Geschichte der Simulationstechnologie merisch lösen lassen, die sogenannte prominentesten Anwendungsbereiche Szenarien, etwa in der Entwicklung und Universität Stuttgart
hat sich als Instrument und Die mathematischen Anfänge der Modell- Monte-Carlo-Methode. Mit dieser Metho- sind hier die Wettervorhersage, Wahlpro- Überprüfung neuer Arzneistoffe. Die Lö- Mit dem Exzellenzcluster Simulation
bildung und damit auch der Simulation de lässt sich die Wahrscheinlichkeit oder gnosen oder die Weiterentwicklung von sung analytisch nicht lösbarer (partieller Technology (SimTech) hat die Universi-
Methode der Erkenntnisge- sind bereits im sogenannten Nadelpro- aber die Ungewissheit bestimmter Ergeb- Hochrisikotechnologien. Das Produkt die- Differential-) Gleichungen lässt sich heu- tät Stuttgart der neuen Forschungsme-
winnung in den vergangenen blem von Buffon und Laplace im 18. Jahr- nisse berechnen, so dass diese Methode ser Simulationen war dabei lange frei von te dank der numerischen Methoden der thode vor rund zehn Jahren eine Heimat
50 Jahren in der Forschung hundert zu finden. Dabei sollte die Wahr- bis heute wesentlich ist für die Modellie- Abbildungen, Ergebnisse wurden in Zah- Simulation mit einer nahezu beliebigen und einen institutionellen Schwerpunkt
scheinlichkeit berechnet werden, mit der rung und Simulation. lenreihen und Diagrammen dargestellt. Genauigkeit näherungsweise bestim- gegeben: Mit dem Cluster werden die ur-
durchgesetzt und kann heute
eine Nadel auf der Linie eines vorgezeich- Abhilfe liefern inzwischen Visualisierun- men. Mit der Öffnung eines virtuellen sprünglich nur isoliert entwickelten Simu-
neben Theorie und Experiment neten Gitternetzes landet. Es war das Eine weitere computergestützte Berech- gen, die die Ergebnisse der Simulationen Forschungsraums können erstmals auch lationsmodelle und -methoden zu einer
als dritte Säule der modernen Grundprinzip dieser ersten „Simulation“, nungsmethode wurde in den 1960er quasi auf einen Blick sichtbar und damit Prozesse erfasst werden, die zu klein umfassenden Systemwissenschaft ge-
Wissenschaft gelten. die Schlussfolgerung von einer großen Jahren maßgeblich an der Universität leicht interpretierbar machen. Gerade oder zu groß sind, um mit Messmetho- bündelt. Inzwischen hat die Simulations-
Zahl an Einzelfällen auf grundlegende Ge- Stuttgart mitentwickelt: John Argyris, Be- die heute möglichen Rechenleistungen den untersucht zu werden, oder die im forschung im 2015 gegründeten Stuttgar-
setzmäßigkeiten und die Ableitung ihrer gründer und langjähriger Leiter des Insti- erzwingen die visuelle Fokussierung auf Versuch zu lange dauern würden. Simu- ter Zentrum für Simulationswissenschaf-
I
m Begriff Simulationstechnologie Unsicherheiten und Wahrscheinlichkeiten tuts für Statik und Dynamik der Luft-und das Wesentliche. Die bildhafte Darstel- lationen bieten darüber hinaus nicht nur ten (SC SimTech) einen dauerhaften Ort
steckt bereits der Verweis auf den zurückzuführen. Auf Zufallsexperimente Raumfahrtkonstruktionen, suchte nach lung hilft hier also, aus den immer grö- Auskunft über das, was ist, sondern auch an der Universität Stuttgart erhalten.
anspruchsvollen handwerklichen Cha- gründet sich auch die erste und bis heute einer Lösung zur Überprüfung von Festig- ßeren Datenmengen die entscheidenden über das, was sein könnte. Wissenschaft-
rakter: Heutige Simulationen sind fast im- grundlegende Simulationsmethode, mit keit und Elastizität einzelner Flugzeug- Erkenntnisse hervorzuheben. So schaffen liche Simulationen stellen eben nicht nur Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Wolfgang Ehlers
mer Computersimulationen, hinter denen der der Mathematiker John von Neumann teile wie der Tragflächen. Dabei bestand moderne Supercomputer am Höchstlei- das bereits Bekannte nach, sondern er- Sprecher des Exzellenzclusters
komplexe Modelle, mächtige Algorithmen 1946 gemeinsam mit Stanislaw Ulam die Herausforderung darin, partielle Dif- stungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) möglichen auch die Ableitung von Vor- Simulation Technology (SimTech)
sowie leistungsfähige Rechen- und Spei- ein Verfahren definierte, mit dessen Hilfe ferentialgleichungen zu lösen, also Glei- pro Sekunde durchschnittlich eine Billiar- hersagen oder die Berechnung von Wahr- Universität Stuttgart
cherleistungen stehen. sich partielle Differentialgleichungen nu- chungen, die Prozesse mit mehr als einer de (1015) Rechenoperationen. Es schlum- scheinlichkeiten. www.simtech.uni-stuttgart.de
6 Technik in Bayern 06/2017 Technik in Bayern 06/2017 7
SCHWERPUNKT
Weltweit unter den Top 20
Das Leibniz-Rechenzentrum – Dienstleister für die Wissenschaft
Wir sprachen über die Aufga- rem Münchner Wissenschaftsnetz. Hier Kranzlmüller: Wir haben hier die weltgröß- ter steht „Gerechnet am SuperMUC“, dann TiB: Das LRZ ist technologisch weit vorne.
können Wissenschaftler über eduroam te Astrophysiksimulation gehabt und die haben wir unsere Aufgabe erfüllt. Wie groß ist der Leistungssprung zum
ben des Leibniz-Rechenzen-
und BAYERNWLAN unsere Netzwerke nut- weltgrößte seismologische Simulation, nächsten Hochleistungsrechner?
trums (LRZ) der Bayerischen zen. Dann stellen wir den Wissenschaft- mit der wir sogar einen Weltrekord in Be- TiB: Wie können wir uns die Priorisierung Kranzlmüller: Beim letzten Generations-
Akademie der Wissenschaften, lern der beiden Münchner Universitäten zug auf die Leistung aufgestellt haben. der Projekte vorstellen? wechsel von Höchstleistungsrechner in
mit Direktor Prof. Dr. Dieter PCs zur Verfügung, und jeder Wissen- Hier wurde von TUM-Wissenschaftlern Kranzlmüller: Wie in der Wissenschaft üb- Bayern II (HLRB II) zum SuperMUC hatten
schaftler in Bayern hat Anspruch auf 50 auf dem SuperMUC Phase 1 berechnet, lich, gibt es auch bei uns ein Peer Review- wir für die Geschwindigkeit einen Faktor
Kranzlmüller.
GB Cloudspeicher. wie sich eine Erdbebenwelle in einem Ge- Verfahren. Das heißt, wir haben ein Gut- 50. In der Endphase des HLRB II hatten
Da wir auch Aufgaben z.B. für staat- stein fortpflanzt. Durch diesen Code war achter-Gremium, das aus international wir zehnmal mehr Anträge, als wir geneh-
S
eit seiner Gründung im Jahre 1962 liche Cluster erfüllen, sind wir Bayeri- SuperMUC mit seiner Spitzenleistung von anerkannten Experten aus den verschie- migen konnten.
ist das LRZ mit der Entwicklung der sches Rechenzentrum. Und mit unserem 3,2 Petaflops (= 3,2 x 1015 Rechenopera- densten Gebieten besteht, das diesen Der SuperMUC ist im Oktober 2012 in Be-
Rechner- und Informationstech- Höchstleistungsrechner SuperMUC sind tionen pro Sekunde) 7 Stunden belegt. Prozess steuert. Wir nehmen die Anträge trieb gegangen und Ende November 2012
nik zu einem der größten Rechenzentren wir gemeinsam mit dem Höchstleis hier an, bereiten sie auf und geben sie an war er voll. Seitdem haben wir mehr An-
Foto: Silvia Stettmayer
Europas in Wissenschaft, Forschung und tungsrechenzentrum Stuttgart und dem TiB: Welches war die bisher rechnerinten- die Gutachter weiter, die sie dann nach träge, als wir bearbeiten können. Also der
Lehre gewachsen. 2006 zog das LRZ auf Forschungszentrum Jülich, die beide sivste Simulation? wissenschaftlicher Qualifikation beurtei- Bedarf ist da und wir befinden uns jetzt
den Forschungscampus Garching. Höchstleistungsrechner mit anderen Kranzlmüller: Ein Beispiel gibt es aus dem len. Die Rechenleistung des LRZ ist gratis, in der heißen Phase für den SuperMUC
Systemen betreiben, nationales Hochlei- Bereich der personalisierten Medizin, hier aber es steckt natürlich ein Wert dahinter. NG (Next Generation). Anfang 2019 wird
TiB: Prof. Kranzlmüller, wieviele Rechner Wir verhelfen der deutschen Wissenschaft zu stungsrechenzentrum. Wir haben dann der Brustkrebsbehandlung. Die Anzahl Eine Bedingung für die öffentliche Finan- dann der nächste SuperMUC installiert
mit welcher Leistung gibt es am LRZ? einem Wettbewerbsvorteil. auch noch den Titel Europäisches Höchst- der Medikamente ist nicht sehr groß, die zierung ist, dass die Ergebnisse veröffent- und 2021 dann Phase 2 .
Prof. Dieter Kranzlmüller: Der nationale leistungsrechenzentrum (European Super- Schwierigkeit sind die verschiedenen Rei- licht werden müssen.
Höchstleistungsrechner SuperMUC ist computing Center) und stellen einen Teil TiB: Sie haben im April dieses Jahres die
im Prinzip einer, dazu gibt es auf bayeri- Aufgaben oder Controllingfunktionen, des nationalen Rechenzentrums Europa Leitung übernommen. Wie sehen Sie die
scher Ebene Rechencluster – ich nenne
es unseren Zoo aus fünf mittelgroßen
sondern wir unterstützen die höchste Lei-
stungsstufe in der Wissenschaft mit Hil-
zur Verfügung. Natürlich arbeiten wir
heute rund um die Welt mit Kooperations
„Wir unterstützen die höchste Leistungsstufe Zukunft des LRZ?
Kranzlmüller: Die Finanzmittel, die wir von
Geräten – die aber ständig ersetzt wer- fe modernster Computertechnologie, die partnern. in der Wissenschaft.“ Bayern und vom Bund bekommen haben,
den, denn wir betreiben eine Computer- der Einzelne nicht selbst betreiben kann. sind für den Ausbau bis ins Jahr 2021 ge-
Cloud. Unser neuester Rechner macht Big TiB: Wer bekommt Rechenleistung am sichert.
Data-Machine-Learning. Dann haben wir TiB: Welche wissenschaftlichen Gebiete SuperMUC? henfolgen und die Stärken zueinander. TiB: Wieviel kostet denn eine Simulation? Unser Planungshorizont geht immer über
natürlich noch Server für andere Anwen- stehen im Vordergrund? Kranzlmüller: Nationales Hochleistungs- Anstatt diese Möglichkeiten jetzt bei einer Kranzlmüller: Wir verbrauchen in der Stun- fünf, sieben oder gar zehn Jahre in die Zu-
dungen, z.B. Exchange E-Mail für 120.000 Kranzlmüller: Wir unterstützen eine breite, rechenzentrum bedeutet, dass jeder Patientin durchzuprobieren, haben wir es de alleine für 1000,- Euro Strom, übrigens kunft. Das macht es sehr spannend, weil
Accounts, und eine virtualisierte Infra- vielleicht die breiteste Menge an Anwen- deutschlandweit kos tenlos Rechenlei- gerechnet. Zum ersten Mal haben wir dazu zu 100% Ökostrom. Im täglichen Betrieb wir heute noch nicht wissen, welche Tech-
struktur mit 1.200 Webservern. In Zah- dungen, die es gibt. Alleine auf dem Su- stung beantragen kann. Voraussetzung ist, beide Phasen des SuperMUC mit seinen müssen wir uns deshalb auch um Span- nologie es dann gibt. Natürlich haben wir
len ausgedrückt, und hier würde ich Re- perMUC gibt es 200 Bereiche, die wir be- dass es exzellente Wissenschaft ist und 230.000 Rechenkernen gebraucht. Wir nungsunterschiede kümmern. Diesen Zugang zu den Herstellern und dadurch
chenkerne nehmen (= Prozessorkern. Ein arbeiten. Das fängt an bei Hochenergie dass es zu unserem System passt Meist haben dazu eine Wartungszeit genutzt, nicht so stabilen Zustand sichern wir na- Einblicke in die Entwicklung.
Standard-PC hat zwei Rechenkerne. Anm. physik, über Astrophysik, Material handelt es sich um Simulationen. Die Idee in der alle anderen Nutzer vom System türlich ab, in erster Linie die 300 mission- Wahrscheinlich werden wir beim Super-
d. Red.), hat das LRZ insgesamt 350.000 wissenschaften, Klimaforschung, Fest- dahinter ist, dass wir der deutschen Wis- genommen wurden. Nach 38 Stunden critical-Systeme mit einem Dieselgene- MUC NG den Faktor 50 nicht erreichen,
– 400.000 Rechenkerne. Alleine der Su- körperphysik und reicht bis in die Medizin. senschaft zu einem Wettbewerbsvorteil Rechenzeit konnten die Wissenschaftler rator. Für den SuperMUC haben wir eine die Leistungskurve wird sich etwas ab-
perMUC hat schon 230.000 Rechenkerne. verhelfen, und ich glaube, dass es auch aus den 1,5 Tera-Byte Ergebnisdaten tat- Überbrückungszeit zwischen elf und ach- flachen. Das hat auch mit sich ändernden
TiB: Wo würden Sie das LRZ weltweit an- sehr wichtig für den Wirtschaftsstandort sächlich Effekte sehen, das spricht auch zehn Sekunden. Bedürfnissen zu tun. Es geht in Zukunft
TiB: Mit welcher Software arbeiten Sie? siedeln und welche nationalen und inter- Deutschland ist, denn wenn Wissenschaft- für die Qualität des Modells – ein großer nicht mehr nur um die Rechenleistung,
Kranzlmüller: Bei uns im Haus läuft der nationalen Aufgaben gibt es? ler mit unserer Unterstützung den näch- Erfolg. Natürlich funktionieren nicht alle TiB: Wie geht es mit den genehmigten sondern auch um entsprechend große
Großteil der Rechner auf LINUX, bzw. Kranzlmüller: Ich würde sagen, wir sind sten Schritt in ihrer Forschung machen, Simulationen, aber im Großen und Ganzen Projekten dann weiter? Speicher.
UNIX-Derivaten. weltweit garantiert unter den Top 20. Im dann profitiert auch die Industrie davon. sehen wir, dass durch die Rechenleistung, Kranzlmüller: Die stellen sich in eine auto-
akademisch-wissenschaftlichen Bereich die wir zur Verfügung stellen, die Wissen- matisierte Warteschlange und warten, bis TiB: Vielen Dank für das Gespräch.
TiB: Welche Aufgaben hat das LRZ? gibt es kaum vergleichbare Einrichtungen, TiB: Sie haben die rechenintensiven Simu- schaftler mit ihren Simulationen Schritte sie an der Reihe sind. Die Rechenleistung
Kranzlmüller: Wir erfüllen mit unseren die wie wir diese Bandbreite an Dienstlei- lationen angesprochen. Können Sie uns vorwärts machen. Und immer, wenn eine muss aber in dem Jahr der Genehmigung Das Interview führten Fritz Münzel,
Rechneranlagen keine administrativen stungen abdecken. Das fängt an bei unse- einige Beispiele nennnen? Publikation veröffentlicht wird und darun- verbraucht werden. Bernhard Kramer und Silvia Stettmayer
8 Technik in Bayern 06/2017 Technik in Bayern 06/2017 9
SCHWERPUNKT
Sicherheitskonzepte lebensnah
Besucherverhalten simulieren für den Ernstfall
realistische Simulation. Davon gingen Das Ersatzmodell soll dabei die Dimen-
Auf den ersten Blick erkennen, wo es eng wird.
wir in MultikOSi aus“, sagt die Projekt- sion und Dynamik des ursprünglichen
3D-Animation aus einer Simulation
in VADERE leiterin. Konkret hieß das: Die Menschen Modells abbilden, zugleich aber dessen
beobachten, wo sie gehen, stehen und Komplexität radikal reduzieren.
verweilen, um aus diesen Situationen im Bei Ersatzmodellen sind nur die wichtig-
„Gutfall“ dann auch Erkenntnisse für ihr sten Beobachtungsgrößen auf einen An-
Verhalten im Notfall abzuleiten. fangszustand aufgesetzt, der ebenfalls
durch ganz wenige Parameter beschrie-
Zurück in die Wirklichkeit: Situations- Simulation (oben) und Wirklichkeit: Wie sich ben wird. Trotzdem sollen sie ebenso
analysen von Besucherverhalten Menschen an einem Festivaleingang anstellen aussagekräftige und realistische Ergeb-
Abbildungen: Forschungsgruppe MultikOSi, Hochschule München
Vor Ort beobachteten Projektmitarbeiter nisse erzielen wie die Original modelle.
der Hochschule München mit Partnern Mit Ersatzmodellen zu anwendungs Zwar begrenzt in ihren Anwendungsfäl-
der Universität Koblenz Landau zum Bei- fähigen Simulationen len, ermöglichen sie überhaupt erst die
spiel wie schnell etwa Fans bei einem In den Simulationen von „MultikOSi“ soll- Berechnung und Simulation und damit
Fußballbundesligaspiel in Kaiserslautern te der virtuelle Besucher nun als entschei- die praxisorientierte Anwendung für die
in Shuttle-Busse steigen. Mit dem Partner dungsfähiges und soziales Wesen mo- Nutzer. Forscher in „MultikOSi“ entwickel-
TU München untersuchten sie, wie sich delliert werden. „Doch Agentenmodelle ten eine Reihe solcher Ersatzmodelle. Dr.
Besucher des Back-to-the-Woods-Festi- mit Entscheidungsprozessen und verglei- Felix Dietrich konstruierte mit aktuellen
vals in Garching im Eingangsbereich an- chende Simulationen für Sensitivitätsstu- mathematischen Methoden nicht nur ein
stellten. Und sie filmten Testpersonen an dien benötigen sehr lange Rechenzeiten Ersatzmodell für einige Szenarien. Er legte
der Hochschule München in Laborexpe- und große Rechnerleistungen, die online auch die Basis für einen Konstruktionsal-
rimenten beim Gehen, Ausweichen oder zurzeit nicht geleistet werden können“, gorithmus solcher Modelle.
Abstandhalten bei Hindernissen. sagt Köster zum Problem der Umsetzung Die Modelle und Algorithmen des Teil-
Love-Parade, Oktoberfest und München, hautnah und in 3D erleben. Virtuelle Besucher als entscheidungs Dr. Isabella von Sivers kam bei Evaku- der Beobachtungsdaten. projekts der Hochschule München gin-
Wie sich die realen Bewegungen der Be- fähige und soziale Wesen ierungssimulationen mit Verletzten zu Eine Möglichkeit Datenmengen zu re- gen in einen Gesamtsimulator auf der
Bundesligaspiel. Längst zählt
sucher mathematisch formulieren und si- Vom Thema her „Fußgängerforschung“, dem Ergebnis: „Das soziale Verhalten, die duzieren war, Wege zu finden, wie sich Simulationsplattform VADERE ein. Unter
vor allem die Sicherheit – für mulieren lassen, daran arbeiteten sie und basiert die Software von „MultikOSi“ ge- Hilfsbereitschaft der Menschen unterein- mathematische Modelle selbst einfacher www.vadere.org sind sie für die For-
Besucher wie Veranstalter. ihr Team im Verbundprojekt „MultikOSi rade nicht auf deren bisher gängigem ander, verändern den Ablauf fundamental.
Eine Simulations-Software er- – Multikriterielle Vernetzung für Offenheit Vorgehen: Analogien aus der Physik der Das darf man nicht vernachlässigen.“ Dr.
laubt es jetzt, vorab Verhalten
und Sicherheit“. Teilchen liefern Vermutungen, wie sich Michael Seitz fand heraus, wie psycho- „Beobachtung ist der Input für mathematische
Mehr als zehn Partner aus Forschung an Menschen etwa bei unterschiedlicher soziale Faktoren die Entscheidungen von
von Event-Besuchern durchzu- Hochschulen und Universitäten sowie der Dichte in einem Personenstrom verhalten Menschen in Gruppen unterschiedlicher Modellentwicklung und realistische Simulation.“
spielen. Das macht den Praxis- Wirtschaft integrieren hier ihre Daten, Mo- könnten. Der Haken dabei: Der Besucher Dichte beeinflussen. Ist nur eine ganz
delle und Algorithmen in einen Gesamt- ist in dieser Art von Modell ein uniformes, geringe oder aber eine sehr große Zahl
text von Sicherheitskonzepten
simulator. Veranstaltern von Großevents passives und beziehungsloses Teilchen. von Menschen unterwegs, fällt die Ent- gestalten lassen. Seitz arbeitete mit dem schungs-Community frei zugänglich. Den
lebensnah und kann im Ernst- und Planern von Gebäuden soll die Soft- Eine Sicht, die Köster für ihr Teilprojekt, scheidung, wohin man laufen soll, leicht. mathematischen Biologen Dr. Nikolai Realitäts
test haben sie bereits bestan-
fall Leben retten. ware zukünftig helfen, ihre Entscheidun- das sich mit der kognitiven Ebene und mit Schwieriger ist es bei einer mittelgroßen Bode an einer solchen Vereinfachung den. Das Exist-Start-Up accu-rate von Dr.
gen in Sachen Sicherheitskonzepte wis- Menschen in Bewegung beschäftigte, än- Menschengruppe. „Situationen, in denen der Abbildung von Gehbewegungen: Sie Angelika Kneidl bietet in enger Zusam-
senschaftlich fundiert zu treffen. Sofort dern wollte. „Denn auch bei vermeintlich viel ausgewichen werden muss, können trafen nicht nur die Annahme, dass Be- menarbeit mit „MultikOSi“ Entfluchtungs-
D
as Bierzelt ist voll und alle wollen sehen sie, wie sich die Breite einer Türe einfachem Verhalten wie Gehen oder An- die größte kognitive Herausforderung sucher für jeden einzelnen Schritt ganz analysen an. „Auch in der Forschung
raus. Am linken Ausgang wird es oder Länge einer Treppe auf die Räumung stehen treffen Menschen aktiv Entschei- darstellen“, sagt Seitz. einfache Regeln befolgen – so genannte werden sich unsere Ergebnisse bald als
eng. Vor einem nichts als Schul- ihrer Veranstaltung auswirkt. Die Bun- dungen und sie verhalten sich sozial“, Sivers und Seitz arbeiteten interdiszi- „kognitive Heuristiken“ –, sondern, dass Stand der Technik durchsetzen“, ist sich
tern und Köpfe und jetzt ist gar kein Vor- desregierung förderte das Projekt, das sagt Köster zu ihrem Forschungsansatz. plinär, unter anderem mit dem „Crowd- sich diese einfachen Regeln auch zur al- Köster sicher, „aber fünf bis zehn Jahre
ankommen mehr. Das alles lässt sich mit zunächst im Bereich der „Fußgängerfor- Soziologische und psychologische For- Psychologen“ Dr. John Drury der Univer- gorithmischen Formulierung eines trag kann das schon noch dauern.“
der Datenbrille in der Simulation von Prof. schung“ aufsetzte, dann aber Mathema- schungen wurden deshalb zum A und O. sity of Sussex, daran, Modelle aus der fähigen Modells eignen – mit Erfolg.
Dr. Gerta Köster, Professorin für Informa- tiker, Informatiker und Sozialpsychologen „Beobachtung ist notwendig als Input für Sozialpsychologie in die Personenstrom- Eine weitere mögliche Lösung für das Be- Christiane Taddigs-Hirsch
tik und Mathematik an der Hochschule an einen Tisch brachte. mathematische Modellentwicklung und simulation zu integrieren. rechnungsproblem sind Ersatzmodelle. Hochschule München
10 Technik in Bayern 06/2017 Technik in Bayern 06/2017 11
SCHWERPUNKT
Parallelisierung durch Zerlegung
Anpassung von Finite-Elemente Simulationen auf Mehrkern-CPUs www.engineering-people.de
jeder Substruktur separat berech-
net. Einige Substrukturen schweben
jedoch aufgrund fehlender Verschie-
bungs-Randbedingungen frei im
Raum. Dies führt zu nicht eindeutig
lösbaren Gleichungssystemen. Bei
FETI wird diesem Problem begegnet,
Universität Stuttgart / SFB 716
indem die Verschiebungen in Starr-
körperbewegungen und innere De-
formationen aufgeteilt werden. Die
Starrkörpermoden werden dann so
gewählt, dass die deformierten Sub-
Leistung 4.0
strukturen ohne Lücken an den rich-
tigen Positionen liegen. So kann eine
Fachwissen flexibel
Der Ursprung von Rissen und Brüchen liegt meist tief im Inneren des Materials. Um ihren Verlauf zu ergründen, untersucht man digital Abb. 2: Substrukturierte, deformierte
kleinste Materialproben auf atomarer Ebene. Hier wird geprüft, wie sich ein Riss in Aluminiumoxid ausbreitet. eingespannte Struktur unter Last, wie Struktur mit fester Einspannung und
verfügbar.
in Abbildung 2, berechnet werden. äußerer diskreter Last
Die eingefärbten Bereiche stellen ein- Wir sind Ihre Berater, Entwickler,
Konstrukteure, Hard- und Software-
Numerische Verfahren, wie fahren weiter. Moderne Rechner errei- and Interconnecting) Methode, wird am zelne Substrukturen dar.
chen höhere Leistungen unter anderem Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der handelt und sind Gegenstand der Spezialisten, Tester, Automatisierer,
die Finite Elemente Methode, Koordinierer, Optimierer, Experten
durch Mehrkern-CPUs, welche Berech- Technischen Universität München ge- Vor- und Nachteile des Verfahrens Forschung. Besonders heterogene
sind zur Berechnung ingenieur- nungen parallel ausführen können. Es gilt forscht. Das FETI-Verfahren zeichnet sich Strukturen, also Substrukturen mit für Dokumentation und CE.
wissenschaftlicher Probleme also Finite-Elemente Simulationen für die durch seine Robustheit und Skalier- sehr unterschiedlichen Steifigkeiten, Bei Ihnen vor Ort.
kaum mehr wegzudenken. Ausführung auf solchen Rechnern anzu- Wie funktioniert FETI? barkeit aus. Für parallele Algorith- behindern die Konvergenz des Ver- In unseren Competence Centern.
passen. Durch die Substrukturierung entstehen men ist die Skalierbarkeit ein wich- fahrens.
Die Verwendung von Mehr- Schnittflächen mit Schnittkräften, wie in tiges Kriterium zur Beurteilung ihrer
kern-CPUs und großen Hoch- Idee der Gebietszerlegung Abbildung 1 zu sehen ist. Diese Schnitt- Leistungsfähigkeit. Darunter versteht Heterogene Strukturen treten bei- Maschinenbau
leistungsrechnern stellt For- Um Finite-Elemente Simulationen für par- kräfte sind für die Kommunikation zwi- man die Abnahme der Rechenzeit spielsweise bei Faserverbundwerk-
Fahrzeugtechnik
allele Berechnungen anzupassen, liegt schen den Substrukturen und damit den mit zunehmender Anzahl an Rechen- stoffen, oder Autoreifen mit einge-
scher der TU München jedoch Elektrotechnik
eine Zerlegung des Berechnungsgebiets Rechenkernen zuständig und werden kernen. So ist mit FETI die effiziente arbeitetem Stahlgewebe auf. Neben
vor neue Herausforderungen. bzw. der Struktur nahe. Die Substruktu- mit einem iterativen Gleichungslöser so Lösung von Problemen mit mehreren der linearen Dynamik wird aktuell an IT & Kommunikation
ren werden jeweils für sich auf einem Re- gelöst, dass keine Lücken zwischen den Milliarden Freiheitsgraden auf meh- der Anwendung von FETI für nichtli-
chenkern gelöst. Substrukturen auftreten. Die Verschie- reren hunderttausend Rechenkernen neare Dynamik geforscht. Nichtlinea- Luft- & Raumfahrt
T
echnische Simulation findet oft in An einem dieser Substrukturierungs-Ver- bungen infolge der Schnittkräfte werden möglich. Direkte Lösungsverfahren ritäten können durch große Deforma- Medizintechnik
frühen Phasen der Produktentwick- fahren, der FETI (Finite Element Tearing mit einem direkten Gleichungslöser auf werden für derart große Probleme tion, nichtlineares Materialverhalten
Mechatronik
lung Anwendung, um mit schnellen durch großen Speicherbedarf und Re- wie bei Gummi, oder plastische Ver-
Vorhersagen Designentscheidungen zu chenaufwand ineffizient. Bei FETI ist formungen hervorgerufen werden. Schiffbau
erleichtern. Aufgrund von Wechselwir- jedoch ein erhöhter Grundaufwand Effiziente nichtlineare Berechnungs- Anlagenbau
kungen zwischen Bauteilen und Umge- nötig, weshalb der Einsatz erst bei verfahren sind also für die praktische
bungen sollen möglichst Gesamtsysteme großen Systemen interessant wird. Anwendung besonders relevant und
durch Simulationen abgebildet werden. bieten noch vielfältige Forschungs- telefon-kontakt:
In der Strukturmechanik steigt die Größe Aktuelle Problemstellungen und möglichkeiten. ep Augsburg +49 (0) 82 94 / 5 11 38-0
der Simulation beispielsweise durch geo- Forschungsthemen ep Ingolstadt +49 (0) 841 / 14 90 18-0
metrisch komplexe Bauteile, kleinskalige Das lineare FETI-Verfahren zur Lö- Andreas Seibold B.Sc. ep München +49 (0) 89 / 35 89 90 88-500
Strukturen in großen Verbundbauteilen sung statischer Probleme hat sich Dipl.-Ing. Michael Leistner ep Nürnberg +49 (0) 911 / 23 95 60-300
oder Kontakt- und Dynamiksimulationen. durch hohe Effizienz und Robustheit Prof. Dr. Daniel Rixen
Folglich steigt der Bedarf an effizienten bewährt. Dynamische Strukturen Lehrstuhl für Angewandte Mechanik,
und leistungsfähigen Berechnungsver- Abb. 1: Funktionsweise der Substrukturierung wurden jedoch bislang wenig be- TU München
engineering people.
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SCHWERPUNKT
ginnt nahtlos die Konstruktionsphase der Schichtarbeit und kurze Nächte muliert. Lieber schneller mit besserer Run-
nächsten Saison“, erklärt Patrick Gass- Irgendwann muss dann Schluss sein mit denzeit oder lieber langsamer für mehr Ef-
mann, Technikvorstand des municHMo- Simulieren und fiktivem Ausprobieren. Für fizienz? Denn bei der Formula Student ge-
torsport e. V. Mit CAD-Programmen wird beide Teams ist in der Regel im Dezember winnt nicht das schnellste Auto, sondern
Nasenbär und konstruiert, modelliert, berechnet – und
ebenso simuliert. Etwa die Aerodynamik
des Boliden: Wie verändern sich die Luft-
Designfreeze. Was jetzt steht, gilt. Es geht
an die Fertigung. Am Anfang noch halb-
wegs entspannt, doch je näher der Roll-
das Team mit dem besten Gesamtpaket
aus Konstruktion und Rennperformance,
Pussy Wagon
Finanzplanung und Verkaufsargumenten.
strömungen, wenn man Bauteile minimal out – die große Präsentation der Boliden
verändert? Welche Wechselwirkungen – rückt, desto zeitintensiver wird an den Nicht der schnellste Wagen gewinnt
ergeben sich hinsichtlich Geschwindig- Wagen gebaut und geschraubt. „Wir teilen Bei den Rennen bewertet werden fünf dy-
Selbstkonstruierte Rennwagen bei der Formula Student keit, Energieeffizienz und Teilestabilität?
„Ohne Simulation geht im Fahrzeugbau
unsere Teams dann in Schichten ein“, so
TUfast-Teammanager Max Burggraf. „Ge-
namische und drei statische Disziplinen.
Zu ersteren zählen die Acceleration (ein
nichts mehr“, so Patrick Gassmann. Wa- schlafen wird in dieser heißen Phase recht Beschleunigungstest auf 75 Metern Län-
rum? Dank Simulation kann man in kur- wenig. 80 Wochenstunden Arbeit kom- ge), das Skid Pad (Acht-Fahren), das Auto-
Ohne Simulation geht im Fahrzeugbau nichts mehr: Strömungssimulation am Elektro-Rennwagen. Abbildung: Hochschule München zen Zeitfenstern – und vergleichsweise men hier bei jedem locker zusammen.“ cross (auf einer 800-Meterstrecke mit Ge-
kostensparend zur realen Konstruktion – Auch Vorlesungen sind dann für die mei- raden, Haarnadelkurven und Schikanen),
klare Aussagen treffen. Vorrausetzung ist sten Nebensache bis nicht existent. Wer die Endurance (ein Langstreckentest über
Jedes Jahr im August treffen Kommunikationsexpertin von TUfast. schnell gefunden. Inzwischen haben wir natürlich: Das Rechenmodell stimmt. Eine bei der Formula Student mitmacht, muss 22 Kilometer) und die Energy Efficiency,
Doch worum geht es eigentlich bei der die Bezeichnung umgemünzt auf, Passion Simulation ist immer nur so gut, wie der Prioritäten setzen. „Und unsere Priorität die den Energieverbrauch betrachtet. Bei
sich Studierende aus aller Welt
Formula Student? Ein Studententeam Works’, ganz einfach, weil wir alle mit viel Entwickler, der den Prozess begleitet. ist klar!“ Da sind sich alle Teammitglieder den drei statischen Disziplinen werden
am Hockenheimring, um sich konstruiert und fertigt einen einsitzigen Leidenschaft dabei sind.“ Auch die Namen von municHMotorsport und TUfast einig. Engineering Design (Konstruktion), Cost
und ihre selbstkonstruierten Formelrennwagen – und tritt damit gegen der TUfast-Boliden zeugen vom Spaßfaktor Rundenzeitsimulation und Ein kurzes Verschnaufen gibt es beim Analysis (Produktions- und Montageko-
Rennwagen in Formel-1-Atmo- Teams aus der ganzen Welt an. Saison- bei der Arbeit. „Unser erstes Rennauto sah Finite-Elemente-Methode Rollout, wenn die fertigen Rennwagen im sten) und Business Plan (Geschäftsmo-
höhepunkt der bayerischen Teams ist die aus wie ein Nasenbär“, so Max Burggraf. „Großen Stellenwert hat bei uns auch die Frühjahr der Presse, den Sponsoren und dell für den Prototyp) bepunktet. Ziel ist
sphäre zu messen. Unter ande-
Formula Student Germany: fünf Tage vol- Die weiteren Modelle hießen dann konse- Rundenzeitsimulation“, berichtet Arno Het- der Öffentlichkeit präsentiert werden. es natürlich, in allen Disziplinen gleicher-
rem mit dabei: Die bayerischen ler Adrenalin, Wettkampfgeist und Team- quenterweise Elektrobär und Driverlessbär. zenecker, Fahrwerkprofi und bereits seit Doch die Atempause währt nicht lange: maßen zu punkten und den Gesamtsieg
Teams municHMotorsport spirit am Hockenheimring! drei Jahren im Team von TUfast. „Hierfür Es folgt die Testphase. Was über Monate einzufahren!
der Hochschule München und Simulation von Anfang an nutzen wir ein selbstgeschriebenes Pro- geplant, designt und konstruiert wurde, Und welche Rennen standen 2017 auf
Wagen mit Spaßfaktor Doch zurück zur Rennsaison. Womit fängt gramm – das Ergebnis einiger Bache- unterzieht sich nun dem Praxistest. dem Saisonkalender von municHMotor-
TUfast der TU München. Beide Teams schicken diese Saison gleich alles an, ehe die Teams ihre Wagen er- lor- und Masterarbeiten. Das Programm Auf verschiedenen Teststrecken – etwa sport und TUfast? „Wir sind dieses Jahr
drei Wagen ins Rennen: einen mit Ver- folgreich ins Rennen schicken können? ist auf die Hockenheimring-Rennstrecke auf der Audi-Teststrecke in Neuburg an in Ungarn gestartet“, so Arno Hetzenec-
B
ei uns beginnt die neue Saison ei- brennungsmotor, einen mit elektrischem Die ersten Planungen beginnen bereits im zugeschnitten und zeigt uns ganz genau, der Donau oder am Flugplatz Jesenwang ker von TUfast. Dann folgte für beide
gentlich schon, bevor die alte en- Antrieb und eine Driverless-Variante. Die Sommer – parallel zu den Rennen der ak- was passiert, wenn wir einzelne Parameter – werden die Boliden auf Herz und Nieren Teams die Formula Student Austria in
det“, erzählt Max Burggraf, Team- Fahrzeuge mit den etwas kryptischen tuellen Saison. „Das Kernteam bespricht, am Auto verändern.“ Mehr Leistung, ande- bzw. Motor und Monocoque geprüft. Er- Spielberg. „Das Saisonhighlight für uns
manager von TUfast, und bringt damit die Bezeichnungen PW10.17, PWe8.17 und welche Autos wir konstruieren wollen“, rer Antrieb, leichteres Chassis ... kleine Än- neut kommt die Simulation zum Einsatz. alle war selbstverständlich die Formula
Formula Student perfekt auf den Punkt: Es PWd1.17 (Team municHMotorsport) und erzählt Max Burggraf. „Parallel führen wir derungen haben hier oft große Auswirkun- Unter anderem werden Fahrstrategien si- Student Germany am Hockenheimring“,
gibt immer etwas zu tun! Wer sich dafür nb017, eb017 und db017 (Team TUfast) erste Gespräche mit neuen Teaminteres- gen. Die Simulation zeigt welche. beteuert Maximilian Bauer von municH-
entscheidet – egal ob bei TUfast, bei mu- tragen Namen wie ‚Pussy Wagon’ und ‚Na- senten, überlegen, welche Positionen neu Ebenso simuliert wird nach der Finite- Motorsport, das dieses Jahr den 3. Platz
nicHMotorsport oder bei einem der ande- senbär´. Woher kommt’s? „Dahinter ver- zu besetzen sind und wie wir uns insge- Elemente-Methode. Dabei werden physi- unter den E-Fahrzeugen belegen konnte.
ren bayerischen Hochschulteams –, wird birgt sich eine lustige Geschichte aus un- samt aufstellen wollen.“ Sowohl TUfast kalische Vorgänge, etwa Kraftwirkungen Und den Saisonabschluss bildete Ende
definitiv mehr Zeit in der Konstruktions- seren Anfängen“, erzählt Maximilian Bauer, als auch municHMotorsport sind als Ver- auf einzelne Bauteile, analysiert. Zudem August die Formula Student Spain in Bar-
werkstatt als im Hörsaal verbringen. Teamlead Marketing bei municHMotor- ein organisiert, agieren völlig autark von spielt die Topologieoptimierung eine celona. Und noch ehe die letzten Renner-
Foto: TU München
„Dafür lernen wir viel über das Arbeiten sport: „Als Prof. Jörg Grabner das Projekt ihren Hochschulen. Finanziert werden sie wichtige Rolle. Hierbei besagt das Be- gebnisse feststanden, laufen bereits die
unter Zeit- und Kostendruck, darüber, die Formula Student 2005 an unserer Hoch- teils über Hochschulgelder, größtenteils rechnungsergebnis, welche Partien eines Planungen für die neue Saison. Schließ-
volle Verantwortung für eine Aufgabe zu schule ins Leben rief, waren überraschend jedoch über Sponsoren. Im Prinzip sind Bauraums mit Werkstoff belegt werden lich gibt es immer etwas zu tun!
übernehmen und über Dinge wie Teamar- viele Frauen an Bord – auch als Rennfah- sie kleine, eigenständige Unternehmen. sollen, also welches Material am besten Wie gut waren die Simulationen? Die intensive
beit und Kommunikation“, so Helena Endl, rerinnen. Da war der Name ‚Pussy Wagon’ „Wenn das letzte Rennen gelaufen ist, be- wo am Monocoque verbaut wird. Testphase zeigt es. Daniela Hansjakob
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SCHWERPUNKT
Simulationsaufgaben Mehrkörpersimulation
Standardisierung in der Ablaufsimulation Entwicklung einer Stechhilfe für die Medizintechnik
In der Ablaufsimulation exis-
Analyse
tieren diverse Werkzeuge von
unterschiedlichen Softwarean-
bietern zur Beantwortung von Modellerstellung
Simulationsaufgaben.
Daten
D
iese Werkzeuge sind fachlich breit
aufgestellt und können für viele
unterschiedliche Fragestellungen Experimentplanung
eingesetzt werden. Tiefergehende und
detaillierte Aufgaben werden im Allge-
meinen nur unter weiterem Aufwandsein- Experimentdurchführung Änderungen
satz in diesen Werkzeugen gelöst. Dies
bedingt für eine genauere Abbildung von
Fertigungsschritten Programmierkennt-
nisse oder eine exakte Modellparametrie-
Experimentbewertung
rung, anstatt das Simulationsmodell aus
Standard-Bausteinen direkt zu modellie-
ren. Dafür ist die Software für unterschied- Lösung Originale CAD-Baugruppe
Vorgehensmodell für
lichste Fragestellungen wie z. B. Automo- Ablaufsimulationsstudien
bilfertigung, Prozessindustrie oder aber nach AssistSim/EDASim, H essen Agentur Partnertag 2009
auch Personenströme einsetzbar.
B
Motivation Das erste Produkt der Zusammenarbeit modulen sowie speziellen Modulen für Simulation und Computer ei komplexen Baugruppen ergeben geht es in erster Linie darum, die Techno-
Die Softwareanbieter haben dieses Pro- von Audi, BMW, Daimler, Volkswagen und die Automobilindustrie. sich – nicht nur in der Medizin- logie zur hochgenauen Vermessung von
tomographie lassen sich
blem erkannt. Sie haben für spezielle ZF Friedrichshafen war der VDA Auto- technik – sehr hohe Anforderun- Bauteilen zu verwenden und die Daten so
Fragestellungen spezifizierte Bausteinkä- motive Bausteinkasten. Diese modulare Ausblick gezielt miteinander kombinie- gen an die Tolerierung der einzelnen Bau- aufzubereiten, dass ein direkter Vergleich
sten entwickelt. Jedoch scheiterten diese Bibliothek dient der Abbildung von An- Standardisierung ist kein Schritt, der ein- ren, d.h. CT-Aufnahmen von teile. Dies zieht wiederum umfangreiche mit den Konstruktionsdaten (CAD) und
größtenteils, da oft die genaue Proble- lagen, Fördertechnik und Logistik. Das malig zu erfüllen ist und dann stillsteht. und sorgfältige Abstimmungen bei der den Ergebnissen aus der Mehrkörpersi-
einzelnen Komponenten bzw.
matik nicht abbildbar oder die Bausteine Vorgehensmodell in der Ablaufsimulation Sie ist mehr eine stetige Aufgabe, um den Vermessung der Bauteile in Abhängigkeit mulation (MKS) mit den originalen CAD-
verschlüsselt waren. Dies macht eine An- umfasst nicht nur die Modellerstellung, anfallenden Aufgaben gerecht zu werden. gesamten Baugruppen können der Zeichnungsvorgaben mit sich. Simu- Daten möglich wird. Im Bereich der MKS
passung an eine genaue Problemstellung sondern beinhaltet auch mehrere Schritte Aktuell ändern sich die Anforderungen an in die Simulationsumgebung lationen im Vorfeld der Entwicklung an ist es vor allem wichtig, die Vorhersage
nur bedingt möglich. Aus diesem Grund davor und danach (vgl. Abb.). Auf Grund die Ablaufsimulation durch die Aktivitä- eingebunden werden. Damit Bauteilen, Baugruppen und Werkzeugen für die sichere Funktion von Baugruppen
entstanden Module und Bausteinkästen, dessen wurde versucht diese Schritte zu ten der Bundesinitiative Industrie 4.0. Vor zur Herstellung der Bauteile sowie der zu optimieren. Außerdem soll die Ent-
die für eine detaillierte, spezifische Ab- standardisieren. Als Ergebnis entstanden allem der Grundsatz der Informations-
besteht die Möglichkeit, Kom- Tolerierung der Bauteile im Bereich 6-Sig- wicklungsqualität gesteigert, der Zeitauf-
bildung diverser Fragestellungen dienten. die Schnittstellenpakete GSL (Generische transparenz wird hier Einfluss nehmen. ponenten mit realen Bauteilab- ma können den Prozess der Bauteil- und wand gesenkt werden sowie die Kosten
Da diese individuell von einzelnen Firmen Simulationslösung) für Anlagendaten, Wenn genauere und qualitativ bessere messungen zu simulieren und Werkzeugoptimierung unterstützen, da- der Optimierung minimiert werden.
entwickelt wurden, war man von einer Fördertechnik und Logistikdaten sowie Eingangsdaten vorliegen, dann lassen mit er effizienter gestaltet werden kann.
auszuwerten. Exemplarisch
Standardisierung noch weit entfernt. das Simulationsassistenzsystem SimAs- sich auch detailreichere Simulationsmo- Die Erkenntnisse aus der Simulation und Mehrkörpersimulation (MKS)
sist. Die Software wurde in einer Entwick- delle erstellen und detailliertere Erkennt- wird die Vorgehensweise mit der Vermessung der Bauteile im Prototy- Die MKS stellt ein Teilgebiet der Simulati-
Aktueller Stand lungskooperation zwischen BMW, Sim- nisse gewinnen. einer Stechhilfe demons penstadium bilden die Grundlage für die onstechniken dar, welches sich mit dem
Um die Standardisierung der Ablaufsimu- Plan und Volkswagen erstellt. SimAssist Produktoptimierung. Vor diesem Hinter- Bewegungsverhalten von mechanischen
triert, die zur Gewinnung von
lation in der Automobilindustrie voranzu- entstand aus zwei Forschungsprojek- Gottfried Mayer unhd Toralf Wunder grund ist es das Ziel, die Potentiale der Systemen beschäftigt, die aus mehre-
treiben, wurde im Jahr 2005 die VDA Ar- ten, die von der Hessen Agentur geför- VDA Arbeitsgruppe Bluttropfen für die Blutzucker- Computertomografie (CT) und der Simu- ren, miteinander gekoppelten – starren
beitsgruppe Ablaufsimulation gegründet. dert wurden und besteht aus Standard Ablaufsimulation messung eingesetzt wird. lation zu kombinieren. Für den Bereich CT und/oder flexiblen – Körpern bestehen.
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SCHWERPUNKT
Grundsätzlich unterscheidet man zwi- liegen sämtliche Messdaten von Beginn
schen zwei Grundproblemen. Zum einen an bereits in digitaler Form vor. Die Auf-
die Kinematik und zum anderen die Ki- bereitung der Messwerte erfolgt ana-
netik. Die Kinematik beschäftigt sich mit log der 3D-CAD-Konstruktion. Durch die
Bewegungsvorgängen; es werden die Kopplung der digitalen Vermessung mit
Abläufe der Bewegung in Verbindung mit CAD-kompatiblen Auswertungsprogram-
ihren Kenngrößen, wie z. B. Geschwin- men lassen sich die Messergebnisse 1:1
digkeit und Beschleunigung, untersucht. mit den Sollwerten des CAD-Modells ver-
Bei der Kinetik hingegen werden die gleichen. Ein möglicher „Falschfarbenver-
Zusammenhänge zwischen den Bewe- gleich“ stellt die Ergebnisse sehr schnell
gungen und den Kräften und Momenten und anschaulich dar. FE-Ergebnisse für das ausgewählte Bauteil der Baugruppe
erfasst. Der Hauptnutzen der MKS liegt
darin, frühzeitig die dominierenden Pro- Einbindung von CT-Aufnahmen in die
dukteigenschaften zu ermitteln, ohne Mehrkörpersimulation mulation importiert. Im Anschluss wird Verlauf. Die Werte der auftretenden Kräf-
einen realen Prototypen herstellen zu Aus einer bereits verfügbaren Baugruppe, das mit dem CT vermessene Bauteil an te liegen in der gleichen Größenordnung,
müssen. Die prinzipielle Vorgehensweise die bereits im Vorfeld mittels MKS simu- den idealen CAD-Daten des Originalteils jedoch ergeben sich bei den Kraftspit-
ist nahezu immer gleich. Zu Beginn wird liert wurde, wird ein für die Funktion inter- ausgerichtet und positioniert. Somit wird zen maximale Abweichungen zum CAD-
basierend auf der Problemstellung des essantes oder relevantes Bauteil entnom- im weiteren Verlauf eine fehlerfreie Si- Kraftverlauf von bis 40 %. Diese extremen
technischen Systems das physikalische men. Von diesem wird anschließend eine mulation gewährleistet. Der Umgang mit Ausschläge resultieren aus dem Detailie-
Modell erstellt. Anschließend werden die CT-Aufnahme erstellt. Aus der resultieren- flächenrückgeführten CT-Aufnahmen rungsgrad der zurückgeführten Flächen.
mathematischen Bewegungsgleichun- den Punktewolke wird anschließend ein ist identisch mit dem von idealen CAD- Je aufwendiger die CT-Messung und die
gen des Mehrkörpermodells hergeleitet. Oberflächennetz (STL-Format) generiert. Bauteilen. Folglich können die Randbe- nachfolgende Flächenrückführung aus-
Im nächsten Schritt werden diese mit der Dieses Netz wird in einen 3D-Volumenkör- dingungen für Lagerungen, Kontakte geführt werden, desto besser bzw. realer
MKS-Software simuliert und analysiert. per umgewandelt und zum CAD-Bauteil und Bewegungen für die Simulation wird der Kräfteverlauf dargestellt.
Im Anschluss werden die Messergebnis- als Referenz ausgerichtet. vorgegeben werden. Nach erfolgreich
se der Simulation mit der Problemstel- abgeschlossener Simulation können Schlussfolgerung
lung der Ausgangssituation abgeglichen. Nach der Ausrichtung der beiden Da- sämtliche Kräfte, Wege, Drehmomente, Bauteile bzw. komplette Baugruppen
Nach dem Vergleich bzw. der Verifikation tensätze wird ein sogenannter Soll-Ist Beschleunigungen usw. grafisch ausge- mit realen Abmessungen können in eine
können dann weitere Parameterstudien Vergleich durchgeführt, um Abweichun- geben werden. Diese Daten können dann Mehrkörpersimulation eingebunden wer-
durchgeführt werden. gen vom ideal konstruierten zum realen mit den ursprünglichen Simulationser- den. Hierzu werden CT-Aufnahmen der
Bauteil darzustellen. Anschließend wird gebnissen der idealisierten CAD-Bauteile ausgewählten Bauteile erstellt.
Computertomografie das Oberflächennetz, basierend auf der verglichen werden.
Die CT gehört zur zerstörungsfreien Werk- CT-Aufnahme, in Flächen umgewandelt. Die Stechhilfe benützt eine vorgespannte Im Anschluss muss das STL-Netz der CT-
stoffprüfung – eine Bearbeitung oder auf- Je nach gewünschtem Detailierungs- Feder, die nach der Auslösung eine Nadel Aufnahme in CAD-Flächen zurückgeführt
wendige Vorbereitung des zu prüfenden grad können die Flächen, ausgehend sehr schnell und damit für den Patienten werden. Die erhaltene STEP-Datei kann
Bauteils ist nicht notwendig, sodass die vom STL-Netz der CT-Aufnahme, mit praktisch schmerzfrei vorschnellen lässt. anschließend problemlos in eine bereits
Probe im Originalzustand erhalten bleibt. unterschiedlicher Detailierungsgüte Nach Durchführung der Simulation kann bestehende Mehrkörpersimulation ein-
Es lässt sich nicht nur die Außenkontur umgewandelt werden. Das Dateiformat – analog zur klassischen FE-Analyse – gebunden werden. Computertomografie
eines Bauteils darstellen, sondern auch liegt dann in einem klassischen CAD- auch der zeitabhängige Spannungs- und und Simulation lassen sich damit mitein-
die Innenkonturen werden abgebildet. Datensatz (STEP- oder IGES-Format) Verformungsverlauf für diesen Vorgang ander gezielt kombinieren.
Die industrielle Computertomografie bie- vor und kann problemlos in die Mehr- dargestellt und ausgewertet werden.
tet auch einen Einblick in das Innenleben körpersimulation eingebunden werden. Folglich ist es also möglich, Komponen-
von Bauteilen; es können z. B. Lunker, Aus den erstellten Flächen wurde somit Der Vergleich der Simulation von CAD- ten mit realen Bauteilabmessungen zu
Einschlüsse oder innere Bauteilfehler ein Volumenkörper erstellt. Im nächsten Bauteilen und CT-Aufnahmen zeigt beim simulieren und auszuwerten.
CT-Aufnahme des Bauteiles
vermessen und grafisch dargestellt und Schritt wird die STEP-Datei der erstell- originalen CAD-Teil einen idealen, glatten
Oben: reales Bauteil aus Baugruppe
Mitte: CT-Aufnahme des Bauteils ausgewertet werden. Da es sich um ein ten CT-Aufnahme des Bauteils in die Verlauf, beim Spannknopf, der mit dem Prof. Dr. Franz Magerl
Unten: CAD-Volumenkörper basierend auf der CT-Aufnahme digitalisiertes Messverfahren handelt, ursprünglich bestehende Mehrkörpersi- CT aufgenommen wurde, einen unruhigen OTH Amberg-Weiden
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