Simulation „Multiphysik ist wie eine Kristallkugel“

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Welche Bedeutung multiphysikalische Simulation für Entwicklung und Konstruktion hat, was es mit Simulations-Apps auf sich hat und wie der Einstieg in die vielversprechende Welt der Multiphysik-Simulation gelingt erklärt Dr. Phillip Oberdorfer hier.

Herr Dr. Oberdorfer, warum sollten Konstrukteure und Entwickler auf keinen Fall auf die Möglichkeiten der multiphysikalischen Simulation verzichten?

Multiphysik-Simulation ermöglicht die Vorhersage des Verhaltens von Geräten, Bauteilen und Prozessen in der echten Welt – sie ist wie eine Kristallkugel, die wirklich funktioniert. Konstrukteure und Entwickler können damit ihre Produkte verstehen und analysieren, noch bevor sie den ersten Prototypen anfertigen. Mit einem Modell ist es leicht, beliebig viele „Was wäre, wenn…?“-Überlegungen virtuell auszuprobieren und neue Ideen zu entwickeln und zu testen. Im weiteren Entwicklungsprozess kann Simulation durch Optimierungsverfahren ein Produkt so verbessern, dass es beispielsweise eine gewünschte Leistung bei minimalem Materialaufwand liefert. Es spricht viel dafür, Simulation in den Entwicklungsprozess zu integrieren, um von diesen Möglichkeiten zu profitieren.

Welchen Stellenwert nimmt Multiphysik aktuell im Produktentstehungsprozess in Ihren Augen ein und wie wird sich das in Zukunft entwickeln?

Wir beobachten einen industrieübergreifend wachsenden Bedarf nach Multiphysik, also der Möglichkeit, mehr als nur einen physikalischen Prozess in einem Modell zu berücksichtigen. Sie ist nötig, um die Abläufe in Komponenten wie Akkus, Lautsprechern, oder Sensoren richtig beschreiben zu können, denn diese Prozesse beruhen eben auf mehreren, gekoppelten physikalischen Phänomenen. Die Welt ist multiphysikalisch. Die wachsenden Leistungen der Computer und der Lösungsalgorithmen ermöglichen bereits jetzt die Realisierung komplexer Multiphysik-Modelle und wir erwarten, dass unsere Anwender die weitere Entwicklung nutzen werden, um ihre Modelle immer exakter zu gestalten und ihre Produkte immer genauer abzubilden.

Parallel dazu gibt es den Trend zur Erstellung von stark reduzierten Modellen, sogenannten Reduced Order Models, die in Echtzeit gelöst werden können und beispielsweise in virtuellen Zwillingen zum Einsatz kommen. Aber auch diese Modelle basieren auf genauen Multiphysik-Modellen, die dann nur für einen eingeschränkten Parameterbereich verifiziert und gültig sind und bei Bedarf angepasst werden müssen. Der Stellenwert der Multiphysik ist also bereits hoch und für die Zukunft erwarten wir, dass er noch deutlich steigen wird.

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Herausforderungen clever meistern

Was zeichnet Comsol Multiphysics aus?

Trotz aller Komplexität machen wir es unseren Anwendern einfach, ihre Ideen umzusetzen, denn Comsol Multiphysics hat ein intuitiv bedienbares Interface und einen konsistenten Workflow. Unabhängig vom Anwendungsbereich sieht die Oberfläche immer gleich aus und sie funktioniert auch immer gleich. Das vereinfacht den Einstieg und die Erweiterung der eigenen Modelle um neue Aspekte ungemein.

Seit der ersten Version von Comsol Multiphysics ist es möglich, echte unbegrenzte Multiphysik in den Modellen zu verwirklichen. Das bedeutet auch, dass das zu lösende System aus allen beteiligten, gekoppelten Gleichungen erst direkt vor dem Lösungsprozess aufgesetzt wird. Das Schöne für die Anwender ist: Das alles passiert voll automatisch nach dem Klick auf die „Lösen“-Schaltfläche. Gelöst wird dann das vollständige gekoppelte Problem, was zu sehr genauen Ergebnissen führt und dem Anwender sehr viel Freiheit ermöglicht, da es prinzipiell keine Einschränkungen gibt, welche physikalischen Effekte alle berücksichtigt werden sollen.

Wo liegen aktuell die Grenzen bei der multiphysikalischen Simulation mit Comsol Multiphysics?

Die beschriebene Vorgehensweise der Software setzt zumindest in der Theorie keine Grenzen. Jeder Prozess, der sich auf die Ergebnisse einer Modellberechnung auswirkt, kann prinzipiell berücksichtigt werden. Durch das flexible Lizenzmodell ist die Simulation auf riesigen Clustern oder in der Cloud nicht teurer, als auf den eigenen Rechnern. Doch in der Praxis ist die verfügbare Computerleistung auch auf Clustern natürlich endlich. Je komplexer das System, das simuliert wird, desto mehr Rechenleistung wird benötigt, um die Simulation in einem akzeptablen Zeitrahmen abzuschließen. Es gibt in diesem Zusammenhang zwei elementare Faustregeln für die Multiphysik-Modellierung: Man sollte erstens immer möglichst einfach beginnen und die Komplexität eines Modells dann schrittweise erhöhen und zweitens gilt: Ein Modell sollte stets so einfach wie möglich und nur so komplex wie nötig sein. Nicht alle physikalischen Effekte und Wechselwirkungen sind für die Ergebnisse, für die man sich interessiert, relevant.

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Simulation revolutioniert die Produktentwicklung

Die Demokratisierung der Simulation ist seit einigen Jahren im Kommen - wie ermöglicht Comsol das?

Die Demokratisierung der Simulation ist eine zwingende Reaktion auf den Mangel an Simulationsspezialisten, die man in einem Unternehmen bräuchte, um den Nutzen der Simulation vollständig abzuschöpfen. Unsere Antwort auf diesen Flaschenhals besteht in den sogenannten Simulations-Apps. Das sind Multiphysik-Modelle, die nach ihrer Fertigstellung vom Modellersteller eine neue, angepasste Bedienoberfläche bekommen, welche genau auf die Bearbeitung einer Fragestellung zugeschnitten ist. Der Anwender der App kann damit diese Fragestellung simulieren, ohne Simulationserfahrung haben zu müssen.

Ein Beispiel: Eine Simulationsingenieurin bei VW hat eine App zur Bewertung der Festigkeit von Rotorblättern in E-Motoren erstellt, damit Kollegen verschiedene Designs schnell testen können. Das Schöne dabei ist, dass jedem Anwender die Werkzeuge zur Erstellung von Apps bereits als integrierter Teil des Programms zur Verfügung stehen. Und es muss nicht lange dauern – eine einfache App ist in 5 Minuten erstellt und ermöglicht das Arbeiten mit dem zugrundeliegenden Modell für alle, eine Lizenz ist dafür nicht nötig. Und die App enthält die volle Leistung des Modells.

Simulation

Simulations-Apps bringen Tribologie-Forschung voran

Wie geht es bei Comsol und der Multiphysik weiter?

Wir werden uns weiterhin für die Demokratisierung der Simulation einsetzen. Mit dem vorletzten Release unserer Software haben wir unseren Anwendern den Model Manager bereitgestellt, ein Werkzeug für die Zusammenarbeit und die Organisation von Modellen, das jetzt ohne Aufpreis, integriert in die Benutzeroberfläche, für alle frei verfügbar ist. Anwendungsseitig haben wir aufgrund der hohen Nachfrage nach Simulationswerkzeugen für die Entwicklung von Batterie- und Brennstoffzellentechnologien zwei Module für genau diese Anwendungsbereiche entwickelt. Aber auch vermeintlich exotischere Anwendungen, wie zum Beispiel das Thermomanagement von Raumfahrzeugen in Planetenumlaufbahnen, haben wir jüngst in unser Portfolio aufgenommen, da es unsere Nutzer für sinnvoll erachten.

Was wäre ein guter Einstieg in die Welt der Multiphysik-Simulation?

Auf unserer Website finden Anwender viele Videos, Demo-Modellen und Tutorials für den Einstieg in die Multiphysik-Simulation. Dazu bieten wir Live-Webinare und themenspezifische Online-Events, die sogenannten Comsol Days. Man kann uns über die Website natürlich auch direkt kontaktieren; wir lieben es, über Simulationsanwendungen zu diskutieren und Ideen auszutauschen!

Für Simulationsinteressierte planen wir in diesem Jahr ein besonderes Event: Nach vier Jahren wird es vom 25. bis 27.10 unter dem Motto ‚Find your next idea‘ endlich wieder eine Comsol Conference geben. Das werden drei Tage geballte Multiphysik-Simulation mit uns und den Spezialisten der Comsol-Community aus allen Industrie- und Forschungsbereichen. Die Konferenz ist eine ideale Möglichkeit, in das Thema einzusteigen, sich zu vertiefen, oder neue Aspekte zu entdecken. Das Motto der Konferenz lautet Find your next idea – ich freue mich schon sehr darauf!

Vielen Dank Herr Dr. Oberdorfer.

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Produktentwicklung neu denken

Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Doch kennen Sie die Herausforderungen der Produktentwicklung im 21. Jahrhundert?

Das Konstruktionsleiter Forum will Konstruktions- und Entwicklungsleiter für Hürden sensibilisieren, sowie Tools und Methoden aufzeigen, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

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