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Item Open Access Virtuelle und hybride Prototypen in kooperativen Arbeitsumgebungen(2009) Wössner, Uwe; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing)Derzeit sieht der Einsatz von Simulationen in der Produktentwicklung häufig wie folgt aus: Ein Konstrukteur erstellt die einzelnen Bauteile ausgehend von ähnlichen früheren Produkten und dimensioniert sie anhand einfacher Formeln oder Tabellen. Soll das Produkt mit Hilfe numerischer Simulationen optimiert werden, wird die Konstruktion an eine andere Abteilung oder ein externes Ingenieurbüro übergeben. Dort werden die CAD Konstruktionen konvertiert, Berechnungsgitter erstellt und die Simulation durchgeführt und im Anschluss ausgewer-tet. Dieser Prozess dauert im günstigsten Fall mehrere Tage, bei aufwändigen Simulationen auch mehrere Wochen. Der Konstrukteur bekommt die Ergebnisse der Simulation in Form eines Berichtes mitgeteilt. Aus diesem Bericht werden dann Änderungen der Konstruktion abgeleitet und umgesetzt. Aus Zeit- und Kostengründen werden nur selten mehrere solcher Iterationen durchgeführt. Durch die Integration und Automatisierung der gesamten Prozesskette von der Konstruktion bis zur Auswertung kann der Optimierungsprozess entscheidend beschleunigt werden. Das Erstellen eines Berechnungsgitters, welches bisher für jede Konstruktionsvariante manuell neu durchgeführt werden musste, kann durch Automatisierung in Sekunden geschehen. Dadurch kann die Auflösung der Berechnungsgitter beliebig variiert werden und sehr einfach eine Reihe schneller Optimierungsrechnungen durchgeführt werden, und genau so schnell kann eine fein aufgelöste Simulation zur exakten Bestimmung einzelner Betriebsparameter mit maximaler Genauigkeit aufgesetzt werden. Dadurch, dass jetzt schon in der Konzeptphase oder während der Konstruktion Optimierungen durchgeführt werden können, wird nicht nur der gesamte Entwicklungsprozess beschleunigt, sondern vor allem die Qualität der Produkte verbessert. Durch die Evaluierung der Produkte und ihrer funktionalen Parameter in einer immersiven VR-Umgebung sind einzelne Aspekte, wie z.B. Kollisionen, die räumliche Ausprägung von Strömungsphänomenen oder Sichtbarkeiten besser zu erkennen. Der Hauptvorteil liegt jedoch im Erkennen von Zusammenhängen. Indem komplette virtuelle Prototypen dargestellt werden, können viele verschiedene Aspekte vom Design über Konstruktion und Fertigungstechnik bis zu funktionalen oder betriebswirtschaftlichen Aspekten gleichzeitig beurteilt werden. In der VR-Umgebung können sich mehrere beteiligte Personen gleichzeitig aufhalten und mit dem virtuellen Prototyp arbeiten. Dabei ist die realitätsnahe 3D Darstellung sehr hilfreich um die eigenen Standpunkte fachfremden Kollegen erklären zu können. Vor allem eine einfache und intuitive Interaktion ist dabei unerlässlich, um die Akzeptanz solcher Systeme im realen Einsatz zu steigern. Durch einfache Navigation mit der 3D-Maus in Kombination mit intuitiv zu bedienenden 2D Userinterfaces auf einem Tablet-PC konnten die besten Ergebnisse erzielt werden. Das Konzept der hybriden Prototypen ermöglicht erstmals die Einbeziehung von realen Experimenten, Versuchen und Probeaufbauten in die Auswertung von Simulationsergebnissen und ermöglicht eine noch umfassendere Beurteilung der Prototypen. Ein zweiter wichtiger Anwendungsbereich ist die Verifikation der Simulationsergebnisse. Durch die gemeinsame Darstellung von Simulationsergebnissen, Messwerten und dem aktuellen Experiment können alle drei Aspekte direkt miteinander verglichen werden. Der Blick durch ein HMD bietet eine sehr intuitive Ansicht der Daten, der Benutzer kann sich ganz normal um den Prototyp bewegen. Auch größere Gruppen kommen mit Hilfe einer einfachen Kamera und einem großen Display oder einer Projektion die überlagerte Darstellung beobachten. In nahezu allen Fällen wird durch VR- und AR-Techniken die Kommunikation zwischen den Anwendern gefördert. Sachverhalte werden auch für Nicht-Spezialisten anschaulich und Diskussionen werden versachlicht. Durch die Möglichkeit VR-Umgebungen miteinander zu vernetzen können diese Vorteile auch bei über verschieden Standorte verteilte Entwicklerteams genutzt werden. Bei der Entwicklung der kooperativen Interaktionen wurde darauf geachtet, dass Latenzen effizient versteckt werden und dadurch eine flüssige Interaktion auch beim Verteilten Arbeiten über große Distanzen möglich ist. Insgesamt wurde im Rahmen dieser Arbeit ein System entwickelt, mit dem es möglich ist, virtuelle und hybride Prototypen vollautomatisch zu erstellen und sie dadurch nahtlos in den Entwicklungsprozess zu integrieren. Dadurch können Produkte schnell und schon in sehr frühen Entwicklungsphasen umfassend bewertet und sogar interaktiv optimiert werden. Nur so können auch in Zukunft die immer komplexer werdenden Produkte schnell, kostengünstig und in guter Qualität entwickelt werden.Item Open Access Die Berechnung von Wiedereintrittsphänomenen auf hierarchischen Supercomputern mit einem effizienten parallelen Multiblockverfahren(2007) Bönisch, Thomas; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Wie in vielen Ingenieurwissenschaften sind auch in der Weltraumforschung Computersimulationen ein wichtiger Bestandteil der Forschung geworden. Auch bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen spielt die Simulationsrechnung für die Systemauslegung eine wichtige Rolle. Gerade hier ist die Simulationsrechnung besonders wichtig, da Experimente und Messungen mit enormem Aufwand und extremen Kosten verbunden sind. Allerdings ist auch die Simulation von Raumfahrzeugen, hier speziell die Simulation des Wiedereintritts von Orbitern, erheblich aufwändiger als die Simulation eines ''normalen'' Flugzeugs, da neben den aerodynamischen Effekten auch chemische Reaktionen auftreten und in der Simulation berücksichtigt werden müssen. Für die Berechnung solcher Wiedereintrittsströmungen wurde am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart das Programmpaket URANUS entwickelt. Dieses Programm besaß allerdings den Schwachpunkt, dass bisher nur sogenannte C-Netze zur Berechnung eingesetzt werden konnten, mit denen sich komplexere Raumgleiterkonfigurationen, wenn überhaupt, nur sehr schwer vernetzen lassen. Da die Berechnung von Wiedereintrittsströmungen auch erhebliche Anforderungen an Rechenleistung und Speicherbedarf besitzt, soll das neue Programm auch auf modernsten Supercomputerplattformen ohne Leistungsverlust einsetzbar sein. Um diese Schwachpunkte zu beheben wurde das Programm zur Verwendung von sogenannten Multiblocknetzen erweitert. Dies bedingt allerdings eine völlige Überarbeitung des vorhandenen Simulationsprogramms und zwar sowohl hinsichtlich der verwendeten Datenstrukturen als auch bezüglich des Programmablaufs. Dazu wurden die Eigenschaften der Multiblocknetze genau untersucht und daraus die notwendigen Änderungen des Programms spezifiziert. Zur Integration der Multiblocknetze wurde eine neue Datenstruktur entwickelt, die, soweit möglich, bereits zukünftige Erweiterungen und Verbesserungen zum Beispiel in Richtung Mehrgitterverfahren ermöglicht und berücksichtigt. Die vorhandene Programmstruktur wurde in großen Teilen umgestellt und vor allem die Randbehandlung wurde so erweitert, dass die Randbedingungen unabhängig von der Lage des Blocks im Netz auf all seinen Seiten angewendet werden können. Dies erforderte eine allgemeine Formulierung der Randbedingungen. Für den Einsatz auf einer möglichst breiten Palette moderner Supercomputerplattformen wurde das Multiblockprogramm von vorneherein auf die Verwendung massiv paralleler Systeme ausgelegt. Aber auch eine bereits vorhandene Optimierung für Vektorsysteme wurde weitergeführt. Durch die verschiedenen Größen der in Multiblocknetzen auftretenden Netzblöcke wurde hierbei eine komplexe Lastverteilungsstrategie notwendig. Hierzu wurden Algorithmen entwickelt, die Blöcke je nach Anforderung zerlegen können. Welcher Block welchem Prozess zur Berechnung zugeteilt wird, entscheiden Partitionierungsalgorithmen, die als Tool bereits verfügbar waren und über eine Schnittstelle in das Programm integriert worden sind. Die Schnittstelle dazu wurde so gestaltet, dass hier jederzeit neue Algorithmen einfach integriert werden können. In einem weiteren Teil der Arbeit werden Technologien vorgestellt, die für URANUS entwickelt wurden, um das Strömungssimulationsprogramm effizient in einer Metacomputingumgebung einsetzen zu können. Mit Hilfe des neuen parallelen Multiblock URANUS Verfahrens wurden bereits wichtige Simulationsergebnisse für den Wiedereintritt von modernen Raumgleitern erzielt, die ohne dieses Werkzeug nicht möglich gewesen wären.Item Open Access Vorauslegung umströmter Bauteile durch Anwendung lokaler Optimalitätskriterien(2014) Gottlieb, Andreas; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr. h.c.)Um bei der Produktentwicklung auf die immer höheren Anforderungen wie Effizienz- oder Kostenoptimierung reagieren zu können, stehen die Unternehmen vor der Herausforderung neue, leistungsfähige Komponenten zu entwickeln. Hierzu müssen in den verschiedenen Entwicklungsphasen, wie zum Beispiel Prinzip- und Konzeptphase, jeweils geeignete Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung stehen. Die Topologieoptimierung von Bauteilen kann schon in sehr frühen Phasen des Entwicklungsprozesses eingesetzt werden und somit helfen, die Anzahl an Entwicklungsstufen zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz des Gesamtsystems erhöhen. Eine Möglichkeit hierzu sind schnelle Topologieoptimierungsverfahren zur Auslegung strömungsführender Bauteile, die auf dem Einsatz von lokalen Optimalitätskriterien basieren. Dabei handelt es sich um Verfahren, die auf empirischen Ansätzen über vor- und nachteilige Effekte von lokal auftretenden physikalischen Phänomenen aufbauen. Neben den lokalen Optimalitätskriterien werden auch analytische Verfahren angesprochen, die auf einer mathematischen Extremwertsuche bezüglich einer Zielfunktion beruhen. In einem Vergleich zwischen analytischen Verfahren und Optimalitätskriterien wird deutlich, dass diese unterschiedlichen Ansätze keinesfalls konkurrieren, sondern in Kombination zu einem hocheffizienten Entwicklungsprozess führen. Ausgangspunkt einer Vorauslegung mit Hilfe von lokalen Optimalitätskriterien ist der für ein gesuchtes strömungsführendes Design maximal verfügbare und mit entsprechenden Randbedingungen versehene Bauraum. Die Aufgabe besteht darin, diejenige Untermenge an Rechenzellen innerhalb des vernetzten, verfügbaren Bauraums zu finden, die eine im Hinblick auf das Optimierungsziel möglichst geeignete Form darstellt. Im Bereich der Strömungsmechanik wird bisher ein Ansatz als lokales Optimalitätskriterien verwendet, der auf Kenntnissen über die nachteiligen Auswirkungen von Rückströmungen, Wirbeln und "Totwasser"-Regionen auf den Druckabfall und andere relevante Strömungsgrössen beruht. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz des aktuellen Verfahrens stark auf bestimmte Anwendungsfälle beschränkt ist, nämlich auf solche, die durch Totwassergebiete dominiert werden. Mit zunehmendem Einsatz der Topologieoptimierung im Entwicklungsprozess verstärken sich die Forderungen, die Methode auch bei weiteren Aufgabenstellungen einsetzen zu können. Ein wichtiger Anwendungsfall ist die Auslegung von umströmten Bauteilen, da der Widerstand einen sehr großen Einfluss auf die Gesamteffizienz von Produkten haben kann. Bei Untersuchungen zur Anwendbarkeit des aktuellen Verfahrens auf umströmte Körper zeigt sich, dass das Kriterium Rezirkulationszonen zu verhindern nicht ausreicht. Dies wird besonders deutlich bei Staupunkten, bei denen eine starke Verzögerung der Strömung erfolgt, aber keine Rückströmung auftritt. Deshalb werden zusätzliche lokale Optimalitätskriterien benötigt, mit deren Hilfe umströmte Bauteile bezüglich eines geringen Widerstandes (Druck- und Reibungswiderstand) ausgelegt werden können. Die Grundlage hierfür liefert ein Ansatz, mit dem Körper während der Simulationslaufzeit verändert werden können. Die Modellierung der Körper erfolgt dabei über ein externes Kraftfeld. Es wird deutlich, dass diese Modellierung mit einer gewissen Unschärfe einher geht, da zum Beispiel Grenzschichteffekte nicht erfasst werden können. Für die Vorauslegung, also die Generierung eines ersten Bauteilvorschlages mit guten Eigenschaften in kurzer Zeit, ist die Modellierung über ein Kraftfeld jedoch ausreichend. Der Hauptpunkt der Arbeit ist die Einführung von Optimalitätskriterien zur Vorauslegung umströmter Bauteile. Dabei wird davon ausgegangen, dass im Bereich des Nachlaufs bereits gute Lösungen mit Hilfe des Kriteriums zur Vermeidung von Rezirkulationszonen gefunden werden können. Der Fokus in dieser Arbeit liegt deshalb auf dem Gebiet, das vor einem umströmten Hindernis liegt und im Wesentlichen durch einen Staupunkt beeinflusst wird. Die Auslegungsaufgabe besteht hier darin, für einen umströmten Körper mit hinsichtlich des Strömungswiderstandes schlechten Eigenschaften, einen Vorkörper zu finden, mit dem der Strömungswiderstand deutlich verringert werden kann. Am geeignetsten erwies sich ein neuer, abrasiver Ansatz, bei dem ein Vorkörper an Stellen mit lokal auftretenden hohen Geschwindigkeitsgradienten verkleinert wird, bis ein automatisches, globales Verlustkriterium zum Abbruch führt. Die Anwendbarkeit der entwickelten Kriterien wird anhand von zwei praxisrelevanten Problemstellungen demonstriert. Dabei handelt es sich um die Vorauslegung einer strömungsgünstigen Verkleidung einer Kreisscheibe und einer aerodynamischen Haube für einen Modellhelikopter. Es zeigt sich, dass bei diesen Anwendungsfällen bereits gute Ergebnisse erzielt werden können.Item Open Access Numerische Untersuchung an einem abdominellen Aortenaneurysma(2004) Sander, Björn; Resch, Martin (Prof. Dr.-Ing.)Abdominelle Aortenaneurysmen (AAA) treten beim Menschen vor allem im höheren Alter auf. Diese krankhafte Erweiterung der unteren Bauchaorta ist oft schmerzfrei und wird in vielen Fällen nur zufällig entdeckt. Ein Brechen der geschädigten Aorta (Ruptur) ist sehr gefährlich und führt oft zum Tod. Eine der gängigen Behandlungsmethoden eines AAA ist die minimalinvasive Implantation einer künstlichen Röhre, dem Stent-Graft. Leider kommt es bei dieser Behandlung recht häufig zu Komplikationen. In dieser Arbeit wurde das Verhalten eines nichtoperierten AAA bei verschiedenen Randbedingungen untersucht, da bisher nur wenig über die Mechanik dieser Krankheit bekannt war. Dazu musste ein Weg gefunden werden, die Messdaten der bildgebenden Diagnoseverfahren in hoher Qualität numerisch nutzbar zu machen. Mit diesem individuellen Patientenmodell wurden dann verschiedene Materialmodelle und Randbedingungen untersucht. Es wurden transiente Simulationen durchgeführt, die zudem die Kopplung von Strömungs- und Strukturberechnungen beinhalteten. Es konnte so eine Simulationskette gebildet werden, die von den bildgebenden Diagnosemitteln bis zur Nachbearbeitung der Simulationsergebnisse reicht. Im Vergleich zu früheren Arbeiten, die mit typisierten Modellen rechneten, konnte in dieser Arbeit zum ersten mal auf realen Geometrien gerechnet werden. Dadurch war es möglich, Aussagen zu den Spannungsverhältnissen in der Aortawand zu machen. Es konnte z.B. gezeigt werden, dass die in der Literatur viel beachtete Scherspannung am Rand des Strömungsgebietes um Größenordnungen kleiner ist, als die Spannungen in der Wand. Ausgehend von dieser Arbeit, sind entsprechende Untersuchungen für andere Patientendaten jetzt sehr schnell verfügbar.