Einsteigerguide: Was ist Mesh-Morphing?

Lernen Sie die Vorteile des Mesh-Morphing kennen. Das richtige Mesh-Morphing kann zu schnelleren Laufzeiten und Prognosen führen.

In dem folgenden Beitrag präsentieren wir ein Interview von Design News mit Marco Biancolini, dem Gründer von RBF Morph, über die Verwendung von Mesh-Morphing. Das englische Original finden Sie auf der folgenden Seite.

Moderator: Was ist Mesh-Morphing, welche Art von fortgeschrittenen Funktionen oder Fähigkeiten kann es haben und wie führt das richtige Mesh-Morphing zu schnelleren Laufzeiten und Prognosen?

Biancolini: Das Meshmorphing besteht aus der Anpassung eines Computational Grid, das für das Computer Aided Engineering (CAE) verwendet wird. Zum Beispiel kann das Festkörper- oder Shell Mesh eines Strukturteils, das für die Verarbeitung durch einen FEA-Solver bereit ist oder das Volume Mesh mit den Randbedingungen für einen CFD-Solver eine neue Form annehmen, indem einfach die Nodepositionen aktualisiert werden. Dies bedeutet, dass die Topologie des Meshes (Anzahl der Nodes, Anzahl der Zellen, Konnektivität) gleich bleibt. Nur die x,y,z-Koordinaten der Nodes in dem Teil des Modells, der eine Formänderung erfährt, werden aktualisiert.

Mesh Morphing von Meshes kann für verschiedene Zwecke verwendet werden: Formparameter erstellen (d.h. eine Länge, einen Winkel oder eine Dicke ändern), auf eine neue bekannte Form (d.h. wie hergestellt, wie durch CAD entworfen), auf eine durch die CAE-Lösung prognostizierten Form (automatische Formoptimierung mit Adjoint oder BGM) und/oder Multiphysik unterstützen (CFD-Meshes entsprechend der Entwicklung des FEM-gebundenen Meshes verschieben, Erosion/Abscheidung ermöglichen).

Moderator: Was sind radiale Basisfunktionen (RBF)? Was ist die Modellierung reduzierter Ordnung? Wie verbessern sie das Meshing?

Biancolini: RBFs sind ein mathematisches Werkzeug, das in der Lage ist, bekannte Felder auf einer Punktwolke zu interpolieren. Das Meshmorphing definiert ein Displacement-Feld auf einer Wolke von Quellpunkten (normalerweise einige der Oberflächen/Kurven des CAE-Meshes) und propagiert es anschließend auf einer Wolke von Zielpunkten (normalerweise die Nodes des Volumen-/Oberflächenmeshes des zu adaptierenden CAE-Modells). Die Methode passt sehr gut zu den Anforderungen des Mesh Morphings. Ihre netzartige Natur erlaubt es Ihnen, partitionierte Meshes, die für hochleistungsfähige parallele Berechnungen (HPC) verwendet werden, einfach zu verwalten. Ihre nodeartige Natur erlaubt es Ihnen, die volle Kontrolle über bestimmte Bereiche zu haben. Die Berechnungskosten von RBF können sehr hoch sein, so dass spezielle Algorithmen (Fast Radial Basis Functions) erforderlich sind, um diese Vorteile für industrielle Anwendungen zu nutzen.

Modelle mit reduzierter Ordnung (ROM) sind, wie der Name schon sagt, numerische Modelle eines Systems (Flüssigkeit, Struktur oder andere Physik), die sehr schnell arbeiten können (normalerweise in Echtzeit). ROM werden definiert, indem Datenkompressionsalgorithmen angenommen und auf viele verschiedene Instanzen (auch als Momentaufnahmen bekannt) des zu reduzierenden Originalmodells angewendet werden.

RBF und ROM sind nicht dazu gedacht, das Meshing zu verbessern, aber – wie ich im Detail erläutern werde, wenn wir die Verbindung zwischen Vernetzung und digitalen Zwillingen diskutieren – sie ermöglichen eine Verbindung zwischen CAE/Meshing und der Implementierung von digitalen Zwillingen in Echtzeit. RBF ist in der Tat eine Methode des Meshmorphings, die die automatische Erzeugung von Formvariationen des ursprünglichen Meshes unterstützt. Gewöhnlich kommt es zu einer gewissen Verzerrung der Zeilen, die der Verformung (Dehnung/Stauchung) unterliegen und eine gute Meshmorphing-Methode muss die Qualität des gemorphten Meshes erhalten. RBF sind erwiesenermaßen eine der besten heute verfügbaren Lösungen, um ein qualitativ hochwertiges Meshmorphing zu implementieren: Der Kern des Meshes wird mit minimaler Verzerrung angepasst und die Verteilung der Meshgröße nahe der Oberflächen (Grenzschichten zur Erfassung der Strömung, Verfeinerungsschichten zur Erfassung von Spannungserhöhungen) ist sehr gut erhalten.

Moderator: Wenn gesagt wird, dass große Lösungskapazitäten und Hochleistungsrechnen verfügbar sind und als Standardressourcen betrachtet werden, was sind dann die neuen Lösungskapazitäten und was waren sie vor einigen Jahren und was meinen Sie mit Hochleitungsrechnern? Wie wird das aus Ihrer Sicht gemessen?

Biancolini: Bei CAE-Anwendungen geht der Trend hin zu feineren Meshes, weil wir jetzt eine so hohe Renderleistung zur Verfügung haben. Die Zahlen sind für Flüssigkeiten und für Strukturen unterschiedlich. Im Jahr 2009 lag ein großes Mesh für die äußere Aerodynamik in der Automobilindustrie im Bereich von 50 Millionen Zellen und ein 250 Millionen-Zellen-Mesh war für Spitzenanwendungen wie die Formel 1 üblich. Zehn Jahre später ist es nun üblich, bei Standardanwendungen die Milliardengrenze zu erreichen. Bei der FEA sind die Zahlen kleiner: 250k war vor zehn Jahren recht groß, 1 Million ist heute üblich. Das Morphing von Meshes ist für jede Modellgröße hilfreich und die Komplexität der Morphing-Aktion wächst mit der Größe des zu aktualisierenden Meshes. In den kommenden Jahrzehnten rechnen wir damit, dass die Modellgröße bis zum Hex-Maßstab wachsen wird.

HPC verwendet große Cluster, die intensive Parallelberechnungen (Tausende von CPU-Kernen und Terabyte Speicher, die auf einer Pay-per-Use-Basis von Anbietern von Cloud-Ressourcen zur Verfügung stehen) oder High-End-Workstations / dichte Server (100 Kerne / 256 Gb RAM liegen in der Preisklasse von 20-30l Euro) ermöglichen. Während intensive Rechenleistung auch von der GPU erlaubt wird, ist nicht die gesamte CAE-Technologie für eine GPU-Implementierung verfügbar. RBF kann durch schnelle Algorithmen und parallele Berechnungen (sowohl CPU als auch GPU) beschleunigt werden.

Das erforderliche Leistungsniveau ist eine Frage der Nutzung. Wenn eine Interaktion mit dem Nutzer erforderlich ist, spielt es eine wichtige Rolle, eine reaktionsfähige Anwendung zu haben und daher ist die Komprimierung der Berechnungszeit des Mesh-Morphing-Aufbaus zwingend erforderlich, um Verzögerungen zu vermeiden. Für die Batch-Anwendungsleistung des Mesh-Morphings muss der Overhead gegen die CAE-Zeit abgewogen werden. Bei RBF-Morph ist es typisch, dass die für die Aktualisierung des Meshes erforderliche Zeit weniger als 2% der für die Berechnung der CAE-Lösung erforderlichen Zeit beträgt. Bei transienten Simulationen liegen die Zusatzkosten für einen einzelnen Schritt normalerweise unter 5% der vom CAE-Solver benötigten Zeit.

Moderator: Was ist die Verbindung zwischen FEA/Meshing und digitalen Zwillingen?

Biancolini: ROM sind die Schlüsselfaktoren für Digital Twins (DT): Das ursprüngliche System wird unter Verwendung von CAE-Methoden (wie CFD und FEA) mit hoher Genauigkeit modelliert, wobei mehrere Konfigurationen (unterschiedliche Formen, unterschiedliche Randbedingungen oder Änderungen an den Eingaben des Modells) berücksichtigt werden, die unter Verwendung einer großen Menge an HPC (ROM-Erstellung) durchleuchtet werden. Die Kompressionsphase ermöglicht es, das Modell in eine leichtere und tragbarere Software zu pressen (ein Standard ist die Verwendung des .fmu-Dateiformats). Das erhaltene ROM kann anschließend als Teil eines komplexen Simulations-Workflows verwendet oder in ein physisches Asset eingebettet werden, um den digitalen Zwilling zu ermöglichen.

Das Mesh-Morphing ist eine ausgezeichnete Ergänzung zum ROM, denn um ein ROM mit variabler Form zu haben (denken Sie z.B. an den Winkel eines Deflektors, der zur Steuerung eines Strömungsfeldes eingesetzt wird), muss die Mesh-Topologie die gleiche sein. Dies hängt mit der Art der Kompressionsmethoden zusammen, die das ROM extrahieren.

Moderator: Hat das FEA nicht die erforderlichen Funktionen für die Erstellung von digitalen Zwillingen geliefert?

Biancolini: Dem FEA mangelt es nicht an der Bereitstellung der erforderlichen Funktionen. FEA und allgemein gesprochen CAE (das könnte FEA/CFD/Multiphysik sein) ist ein Teil des Puzzles zur Erzeugung eines digitalen Zwillings. Das digitale High-Fidelity-Modell des Assets wird nach bewährten Verfahren definiert, die für den Designprozess sehr gut etabliert sind. Wenn Formparameter benötigt werden, wird dem Arbeitsablauf ein Meshmorphing hinzugefügt, so dass mehrere Instanzen desselben Assets, die in verschiedenen Konfigurationen arbeiten, verfügbar werden. Alle Instanzen werden anschließend durch die Anwendung von HPC vollständig untersucht. Genau genommen ist dies bereits ein digitaler Zwilling. Die Leistung des Systems kann mit hoher Genauigkeit prognostiziert und für die Wartung der physischen Assets verwendet werden. Dieser Ansatz hat jedoch einige Einschränkungen: Eine neue Bewertung des digitalen Zwillings ist mit den Kosten für HPC verbunden und erfordert den Zugang zur CAE-Software und der entsprechenden Infrastruktur. Um Portabilität und schnellen Zugriff zu erhalten, ist die ROM-Strategie sehr nützlich. Das Verhalten des High-Fidelity-Modells wird durch Datenkompression exakt reproduziert. Außerdem wird das ROM portabel und kann ohne die ursprüngliche CAE-Infrastruktur arbeiten.

Moderator: Welche Arten von FEA-Software werden für digitale Zwillinge/IoT benötigt und warum?

Biancolini: Jede Art von CAE-Software kann für diesen Zweck verwendet werden, nicht nur FEA. Welche Software für eine High-Fidelity-Simulation eingesetzt wird, hängt von der spezifischen Anwendung ab. Es gibt eine große Auswahl an Open-Source/kommerziellen CAE-Solvern, die vom ISV angeboten werden. Ein Großteil dieser Software ist vielseitig einsetzbar, aber wir wissen sehr gut, dass es für jeden Bereich bevorzugte Auswahlmöglichkeiten gibt und dies könnte die Erzeugung von digitalen Zwillingen ziemlich komplex machen, insbesondere wenn die High-Fidelity-Simulation mehrere Solver von verschiedenen Anbietern erfordert. Die Hauptakteure im CAE sind bestrebt, sofort einsatzbereite Lösungen anzubieten, die für die Erstellung von DT geeignet sind.

Um den gesamten Arbeitsablauf zu erklären, betrachten wir das Beispiel der Wirbel-Anwendung, die im Spinner-Projekt (spinner-eid.eu) untersucht wurde, an dem sowohl ANSYS als auch RBF Morph beteiligt sind. Es wird ein High-Fidelity-FEA-Modell definiert, das die tatsächliche Wirbelsäulen-Geometrie des Patienten übernimmt, wobei die Prothetikschrauben so positioniert werden, dass eine Bewertung der Belastung des Prothesenteils und des Knochengewebes des Patienten möglich ist (ANSYS Mechanical). Dann wird ein Versatz der Positionierung der Schauben und ihrer Grösse durch Mesh-Morphing (RBF Morph ACT Extension) eingeführt. Nehmen wir an, wir hätten zwei Parameter für die Schraubengrösse (Länge und Durchmesser) und vier Parameter für die Positionierung (vertikale und seitliche Anpassung für beide Wirbel). Die sechsdimensionale parametrische Form wird anschließend automatisch ausgewertet (ANSYS Design Explorer) und 200 Konfigurationen werden schnell mit HPC ausgewertet.

Die Ergebnisse werden mit einer Software zur ROM-Generierung (ANSYS Twin Builder) komprimiert und das ROM-Verhalten kann in der CAE-Plattform (ANSYS Twin Builder Viewer) überprüft und validiert werden. Das ROM kann anschließend in eine .fmu-Datei exportiert werden. Auf eine solche Datei kann ohne die CAE-Plattform zugegriffen und an die medizinischen Geräte (z.B. eingebettet in das von Ärzten und Medizintechnikern üblicherweise verwendete Standard-Bildgebungswerkzeug) weitergegeben werden. Der interaktive digitale Zwilling der Wirbelsäulenreparatur könnte bei der Planung helfen oder kann während des medizinischen Eingriffs durch Augmented Reality, bei der die digitalen Bilder in Echtzeit vom digitalen Zwilling berechnet werden, unterstützen.

Das war das Original-Interview von Design News mit Biancolini zum Thema Mesh Morphing. Wenn Sie noch Fragen oder Anmerkungen haben sollten, hinterlassen Sie uns unten einen Kommentar.

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