Software

Physikalische Phänomene individuell koppeln und anpassen

Die großen Herausforderungen der physikübergreifenden Simulation liegen im Bereich der numerischen Algorithmen und der Softwareschnittstellen, um beispielsweise die nahtlose Integration in das CAD-Umfeld sicherzustellen. Offenheit und Anpassbarkeit spielen eine wichtige Rolle, weil sich so der Aufwand für Modellierung und Berechnung rund um die Multiphysik-Simulation reduzieren lässt und eine Anpassung an die jeweilige Branche erfolgen kann. Die Simulationsumgebung Comsol Multiphysics ermöglicht dies insbesondere über eine Java-basierte API.
Temperaturfeld in den Kühlkanälen und den Lithium-Ionen-Batterien einer Batteriepackung für automobile Anwendungen. Das Simulationsmodell besteht aus einem elektrochemischen Batteriemodell, gekoppelt an eine thermische Analyse für die Batterien und die weiteren Komponenten sowie eine Strömungsanalyse in den Kühlkanälen.

Seit jeher ist es der Wunsch der Simulationsexperten, ihre Modelle so realitätsnah wie möglich abzubilden. Steigende Anforderungen der Industrie an die Genauigkeit und die erforderliche ganzheitliche Betrachtung von Produkten bereits in der frühen Phase der Entwicklung beschleunigen diesen Prozess. Um die Effekte aus der realen Welt in einem Simulationsmodell abzubilden, müssen immer häufiger physikalische Effekte aus unterschiedlichen Disziplinen in einer Anwendung kombiniert werden – nur der Weg über eine multiphysikalische Modellierung führt dann zu einem realitätsnahen Modell. Zwar erfordern nicht alle ingenieurtechnischen Herausforderungen eine solche Herangehensweise, weil sich viele Fragestellungen nach wie vor durch eine isolierte Betrachtung beantworten oder zumindest einschätzen lassen. Sieht man allerdings einmal von grundsätzlich gekoppelten physikalischen Phänomenen ab, die nicht isoliert betrachtet werden können, ist schon allein durch den Einzug der Elektronik und deren thermischer und elektromagnetischer Effekte in zahlreichen Produkten ein Trend zu multiphysikalischen Aufgabenstellungen zu erkennen. Entscheidend dabei ist, dass sich die Simulationsumgebung in bestehende Prozesse einbinden lässt.

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Die Simulationsumgebung Comsol Multiphysics des schwedischen Softwareanbieters Comsol eignet sich insbesondere für die Berechnung gekoppelter Phänomene. Sie ist eine Entwicklungsumgebung für die Modellierung und Simulation physikalisch-basierter Systeme. Und sie erfüllt eine Grundvoraussetzung für die Einbindung in bestehende Prozesse: Sie ermöglicht über ein CAD-Import-Modul und so genannte LiveLink-Produkte für bestimmte CAD-Programme die nahtlose Integration in die existierende CAD-Landschaft. Insbesondere die LiveLinks gewährleisten eine bidirektionale assoziative Verbindung zwischen CAD- und Simulationsumgebung. Änderungen im CAD-Modell werden auf diese Weise automatisch in die Geometrie in Comsol Multiphysics übernommen, während die physikalischen Einstellungen erhalten bleiben. Sämtliche im CAD-Programm definierten Geometrieparameter können darüber hinaus aus der Simulationsumgebung gesteuert werden – was eine Geometrieparametrisierung im Simulationsmodell ermöglicht. Verfügbar ist auch ein LiveLink für Matlab, mit dem sich ein Comsol-Modell in eine erweiterte technische Berechnungs- und Programmierumgebung einbetten lässt. Matlab-Anwender können auf diese Weise beim Preprocessing, bei der Modellerweiterung und beim Postprocessing die volle Bandbreite dieser Software nutzen. Modelle lassen sich beispielsweise über die Kommandozeile verändern, um die Geometrie, die Physik oder das Lösungsschema für eine Optimierung anzupassen und zu parametrisieren. Die Modelle können auf diesem Wege auch anderen Mitarbeitern, die reine Parameteruntersuchungen durchführen, zur Verfügung gestellt und die Comsol-Multiphysics-Simulationen mit anderen Berechnungswerkzeugen gekoppelt werden.

API ermöglicht projektspezifische Applikationen

Ein weiterer wichtiger Punkt beim Einsatz von Multiphysik-Simulationen – gerade bei universell einsetzbaren Werkzeugen – ist, dass sich die Entwicklungsumgebung individuell erweitern und auf die jeweilige Branche zuschneiden lässt. Gerade bei aufwändigen Modellen mit einer Vielzahl von zu definierenden Gleichungen und Parametern ist es in vielen Fällen von Vorteil, dem Anwender eine vereinfachte und auf seinen Anwendungsfall zugeschnittene Umgebung anbieten zu können. Auf diese Weise sind auch ungeübte Anwender in der Lage, ein komplexes Simulationsmodell aufzubauen, die Berechnung zu starten und automatisch die relevanten Ergebnisse in der gewünschten Form zu generieren. Comsol Multiphysics verfügt hierzu über eine Java-basierte Programmierschnittstelle (Application Programming Interface – API). Damit lassen sich kunden- oder projektspezifische Applikationen entwickeln – basierend auf den Comsol-Funktionen. Dabei kann nicht nur deren komplette Bandbreite genutzt werden, sondern dem Anwender stehen darüber hinaus zusätzliche Funktionen wie etwa ‚for loop‘, ‚if-else‘, ‚FileReader‘ und ‚try/catch‘ zur Verfügung. Außerdem lässt sich auch eigener Code (Java (+Bibliotheken), C/C++, Visual Basic/VBA, Matlab, LabView) einbinden. So kann die gesamte Modell- und Simulationssteuerung über ein Skript erfolgen.

Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz der Comsol-API zeigt eine Anwendung an der FH Bielefeld. Im Rahmen einer Studie werden dort die Eigenschaften magnetischer Nanopartikel beziehungsweise deren Magnetisierungszustände untersucht. Magnetische Materialien mit Abmessungen im Bereich von Nanometern sind insbesondere für Speichermedien oder in der Medizintechnik von Interesse. Die besonderen Eigenschaften der magnetischen Nanomaterialien sind bedingt durch die große Anzahl von Oberflächenatomen in Relation zu der Gesamtzahl der Atome und dem höheren Stellenwert der magnetischen Anisotropie. Zur Untersuchung der Eigenschaften wird deshalb im Simulationsmodell die Wechselwirkung des magnetischen Streufeldes mit der Magnetisierungskonfiguration der Nanomaterialien berücksichtigt. Durch die Vielzahl der zu untersuchenden Zustände und möglichen Parameter wäre der Modellaufbau für diese Simulation sehr aufwändig. Aus diesem Grunde wurde über die Comsol-API eine Eingabemaske erstellt, in der die Gleichungen und Parameter eingegeben werden können. Die Eingabedaten beinhalten beispielsweise Gleichungsformulierungen, Materialdaten, Abmessungen oder Werte des externen Magnetfeldes. Anschließend erzeugt die Anwendung ein Comsol-Modell, das sich in Comsol Multiphysics laden und berechnen lässt. Denkbar wäre hier in einem weiteren Schritt auch eine automatisierte Berechnung und Auswertung. Die Ergebnisse der Simulationen werden anschließend mit physikalischen Experimenten validiert.

Aufwand sinkt und Erweiterungen werden einfacher

Insgesamt hat sich der Modellierungsaufwand an der FH Bielefeld durch die Nutzung der eigenen und auf die Anwendung zugeschnittenen Eingabeoberfläche erheblich reduziert. Im Laufe des Projektes sollen zudem die Untersuchungen und somit auch das Simulationsmodell durch verschiedene Effekte erweitert werden. So wäre beispielsweise die Implementierung von Anisotropien höherer Ordnung und damit eine Erweiterung der mikromagnetischen Gleichungen denkbar. Auch verschiedene Geometrieformen und -strukturen sowie die Berücksichtigung zusätzlicher Effekte – beispielsweise des Temperatureinflusses – sind dabei von Interesse. Die dazu erforderlichen Erweiterungen des Modells können durch den modularen Aufbau auch in der Eingabemaske berücksichtigt werden. Angedacht ist, dabei verschiedene Terme als optionale Beiträge in der Eingabemaske zu kennzeichnen, etwa Anisotropiebeiträge höherer Ordnung. Über die Eingabemaske soll es dann möglich sein, selbst festzulegen, ob dieser Beitrag berücksichtigt werden soll oder nicht. Die Gleichungen werden dann entsprechend zusammengestellt.

Unabhängig von der Möglichkeit, sich über die API eine Systemumgebung maßzuscheidern, erleichtert eine Simulationsumgebung wie Comsol Multiphysics dem Anwender aber auch ihren Einsatz über vordefinierte Eingabemasken, in denen sich verschiedene physikalische Eigenschaften auswählen lassen, um deren Wechselwirkungen zu untersuchen.

Vordefinierte Masken erleichtern Multiphysik-Simulation

Zudem können auch hier eigene partielle Differenzialgleichungen (PDEs) hinzugefügt werden. Materialeigenschaften, Quellterme, Randbedingungen und anderes können dabei frei wählbare Funktionen abhängiger Variablen sein. Das zugehörige gekoppelte Gleichungssystem wird dann simultan gelöst. Optional verfügbare Module bieten anwendungsspezifische Werkzeuge für Akustik, Batterie- und Brennstoffzellensysteme, chemische Verfahrenstechnik, Geowissenschaften, Elektromagnetik, Strömungsdynamik, Wärmetransport, Mikrosystemtechnik, Plasma und Strukturmechanik. Alle Module der Software erheben dabei den Anspruch der vollständigen Kompatibilität – will heißen: Jeder Simulationstyp kann beliebig mit jedem anderen kombiniert werden.

Oftmals sind multiphysikalische Aufgabenstellungen zudem mit langen Rechenzeiten und einem hohen Modellierungsaufwand verbunden, da einzelne physikalische Beschreibungen eine detaillierte und feinmaschige Modellierung erfordern. Comsol Multiphysics bietet dem Anwender dafür an vielen Stellen praktische Hilfestellungen. Bei der Modellerstellung etwa wird der Anwender durch die physikalischen Kopplungen geführt und ist in der Lage, das Modell beziehungsweise den Modellbaum durch Funktionen wie Copy/Paste oder Duplizierung sehr schnell zu erweitern und anzupassen. Eine neue, physikalisch kontrollierte Vernetzung macht es dann möglich, den Netzerstellungsprozess automatisch durchführen zu lassen. Dabei werden Netzdichte und Elementtyp den jeweiligen physikalischen Einstellungen angepasst. Implementiert ist diese Funktion derzeit im CFD- und Plasma-Modul. Innerhalb des CFD-Moduls generiert sie beispielsweise im Innern des Strömungsvolumens ein angepasstes feinmaschiges Netz, während an den reibungsbehafteten Rändern gleichzeitig Randschichtnetze erstellt werden. Mit diesem auf Genauigkeit optimierten Netz liefert diese Funktionalität präzise Ergebnisse für strömungsmechanische Anwendungen.

Zur Reduzierung der Rechenzeiten unterstützt Comsol Multiphysics zudem das parallele Rechnen mit Standard-Mehrkernprozessoren ebenso wie Clusterrechnungen. Anwender können auf Cluster zugreifen, um eine Serie von Parameterschritten für ein Modell zu berechnen, einen Parameter pro Knoten einzugeben, oder ein einzelnes großes Modell unter Verwendung des verteilten Speichers zu lösen. Für eine optimale Leistung verwendet die Clusterimplementierung parallel Mehrkernprozessoren mit gemeinsamem Speicher auf jedem Knoten in Kombination mit dem MPI-basierten verteilten Speicher-Modell.


Gerd Wurmann, Journalist, Marburg und Lisa Teich, Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik (Computational Materials Science & Engineering), FH Bielefeld

Comsol Multiphysics GmbH, Göttingen Tel. 0551/99721-0, http://www.comsol.de

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