Interaktive Visualisierungssysteme zur beschleunigten Analyse von Simulationsergebnissen im Fahrzeugentwicklungsprozess

Abstract

Die vorliegende Arbeit zeigt neue Methoden zur Beschleunigung der Analyse von numerischen Berechnungen auf. Ziel war es, die Arbeit der Berechnungsingenieure im Postprocessing durch die Bereitstellung von interaktiven und intuitiven Visualisierungswerkzeugen zu erweitern. Hierfür wurden die Arbeits- und Vorgehensweisen der Ingenieure betrachtet, darauf aufbauend Visualisierungsverfahren und -algorithmen entwickelt und im produktiven Prozess erprobt. Durch den Einsatz von Techniken der virtuellen Realität entstanden prototypische Applikationen mit neuen Interaktionsmechanismen und mit Unterstützung von neuartigen Ein- und Ausgabegeräten. Im Bereich der Finite-Element-Simulationen wurden Methoden für den Umgang mit zeitabhängigen Geometrien und Volumen betrachtet, wie sie in der Crashtest-, Schwingungs-, Kinematik- und Akustiksimulation vorkommen. Verfahren zur Selektion, Transformation, Schnittberechnung animierter Objekte und propagierende Isoflächen wurden für die Darstellung von zeitabhängigen Daten untersucht. Die Arbeiten im Bereich der Strömungssimulation konzentrierte sich auf die Visualisierung von lokal verfeinerten kartesischen Gittern mit expliziter Geometriebeschreibung. Für die interaktive Visualisierung wird eine effiziente Datenspeicherung und -verwaltung der Volumen- und Geometrieelemente vorgestellt, auf deren Basis optimierte Algorithmen für die Zelllokalisierung, Partikelbahn- und Schnittebenenberechnung untersucht wurden. Umgesetzt wurden die Methoden in den beiden Visualisierungssystemen VtCrash und PowerVIZ. Für die Zusammenarbeit mehrerer Benutzer wurde in den Prototypen kooperatives Arbeiten untersucht. Beide Applikationen kamen in den beteiligten Abteilungen der BMW Group sowohl am Arbeitsplatz, im Projektionsraum und in der CAVE zum Einsatz. Die Erfahrungen im produktiven Entwicklungsprozess der BMW Group und das Interesse an kommerziellen Varianten der Prototypen haben die Einsatzreife dieser Techniken bestätigt.

This thesis points out new methods to accelerate the analysis of numerical simulations based on structure and volume. It was the goal to facilitate and extend the work of engineers in the postprocessing by supplying interactive and intuitive visualization tools. Therefore the engineers' work procedures and techniques were considered to develop visualization algorithms and test them during the productive process. The use of virtual reality techniques and new interaction mechanisms results in prototype applications which in contrary to traditional postprocessing systems support new input and output devices. Methods for handling time-dependent geometry and volumes as they occur in crash test, vibration, kinematic and acoustic simulations were considered within the area of finite element simulations. Different mechanisms for the user interactions with animated geometries were examined for standard work places and immersive environments with VR equipment. Procedures and fast algorithms for selection, transformation, calculations of cuts, regulation of intrusions and propagative iso-surfaces to analyze time-dependent components were especially inspected. The work in the area of flow simulations concentrated on the visualization of locally refined Cartesian grids with explicit description of surface geometry. Optimized algorithms for cell localization, particle tracing and cutting plane calculation were developed which are suitable for real time processing. The methods and algorithms were integrated into the two visualization systems VtCrash and PowerVIZ. Cooperative working is supported by the prototypes to investigate teamwork in virtual environments. Both application are used by departements of BMW Group at the work place, in projection rooms and in the CAVE. The experiences made at BMW Group and the engineers' interest in commercial versions of the prototypic applications demonstrated their readiness for the productive workflow.