High Performance Computing - CADFEM · 2 HIGH PERFORMANCE COMPUTING m Jahr 1985 gegründet, zählt...

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HPC

HPC FÜR CAETURBO FÜR DIE SIMULATION

HIGH PERFORMANCE COMPUTING

Warum Sie mit dem CADFEM Workstation Konfigurations- und Installations-Service schneller rechnen?

Weil Sie Ihre HP Workstation schon einsatzbereit geliefert bekommen!

Als Ihr HP Gold Specialist unterstützt Sie das CADFEM Hardware Team nicht nur bei der Auswahl der geeigneten Hardware für Ihre Simulationsanwendungen, sondern richtet sie auf Wunsch auch gleich so ein, dass Sie sie vor dem Rechnen nur noch aus-packen und einschalten müssen. Und auch wenn es um den Support zur Hardware geht, bleibt CADFEM Ihr Ansprechpartner.

Simulationssoftware, Hardware & IT-Management mit allen begleitenden Dienstleistungen aus einer Hand

CADFEM Hardware TeamManfred BayerlTel. +49 (0)[email protected]/hardware

Auspacken, Einschalten, Rechnen

2013 SpecialistGOLD

ist Premium-Sponsor der ANSYS Conference & 31. CADFEM Users’ Meeting

1HIGH PERFORMANCE COMPUTING

2 Produkte – Service – Wissen

CADFEM – weil CAE-Simulationmehr ist als Software

4 Hard- und Software für effiziente Simulation

Sinnvolle Aufgabenverteilung

10 Hardware-Komponenten für HPC-Anwendungen

Zuverlässige Plattformenfür Simulationen

14 Mit HPC die Rechenzeiten drastisch reduzieren

Wer hat an der Uhr gedreht

17 CADFEM übernimmt IT-Betreuung für HP-CAE-Cluster bei Krones

Partner fürs Leben

20 High Performance Computing bei CADFEM

200 Kerne2 TB Speicher30 Anwender

23 SGL Group – The Carbon Company

Schneller zur Realität

26 Sensitivitätsanalyse und Designoptimierung

Produkte besser verstehen

Impressum

Herausgeber:CADFEM GmbHMarktplatz 285567 Grafing b. MünchenTel. +49 (0) 80 92-70 05-0Fax +49 (0) 80 92-70 05-77E-Mail [email protected]

Redaktion/Koordination:Gerhard Friederici, [email protected]

Layout:G & K Design, Rechtmehring

Titelbild: HP, CADFEM,shutterstock.com/Hirurg

Produktion:KS Druck GmbHEbersberg

Geschäftsführer:Christoph Müller, M.Sc., Dr.-Ing. Jürgen Vogt, Erke Wang

Handelsregister-Nummer:HRB München Nr. 75979

Ust.-Ident.-Nummer:DE 131171831

Steuernummer:114/123/00051

Betriebshaftpflichtversicherung:Zurich Gruppe DeutschlandPoppelsdorfer Allee 25-3353115 Bonn

Geltungsbereich: weltweit

Copyright:© 2013 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten.

Gedruckt in Deutschland.

Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzendes Urheberrechtsschutzes ist ohne Zustimmungder CADFEM GmbH unzulässig. Dies gilt insbe -sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen,Mikroverfilmungen und die Einspeicherung undVerarbeitung in elektronischen Systemen.

Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen:ANSYS, ANSYS Mechanical, ANSYS Multiphysics,ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench,ANSYS CFX, ANSYS Fluent, ANSYS Maxwell,ANSYS HFSS, ANSYS Simplorer, ANSYS nCodeDesignLife, ANSYS SpaceClaim, ANSYS CompositePrepPost, ANSYS HPC, ANSYS Parametric Packund alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen vonANSYS, Inc. sind registrierte Warenzeichen oderWarenzeichen von ANSYS, Inc.. optiSLang ist ein registriertes Warenzeichen derDynardo GmbH.

Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamensind Warenzeichen oder registrierte Warenzeichenihrer jeweiligen Eigentümer. Aus dem Fehlen derMarkierung kann nicht geschlossen werden, dasseine Bezeichnung ein freier Warenname ist.

Irrtümer und Änderungen vorbehalten.

Inhalt

2 HIGH PERFORMANCE COMPUTING

m Jahr 1985 gegründet, zählt CADFEM zu den Pionieren dernumerischen Simulation auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM). CADFEM ist weltweit aktiv und mit 12Standorten und mehr als 170 Mitarbeitern in Deutschland,

Österreich und der Schweiz einer der größten europäischen Anbieter für Computer-aided Engineering (CAE). Seit Firmen-gründung arbeiten wir eng mit der ANSYS, Inc. in Pittsburgh(Pennsylvania) zusammen und sind ANSYS Competence CenterFEM in Zentraleuropa. Weil Software allein noch keinen Simulationserfolg garan-

tiert, ist CADFEM Systemhaus, Ingenieurdienstleister, Ausbil-dungs- und Informationsanbieter in einem. Aus einer Hand erhalten Kunden alles, was über den Simulationserfolg ent-scheidet: Software und IT-Lösungen. Beratung, Schulung, Engi-neering. Know-how auf dem neuesten Stand.

Hardware und IT bei CADFEM

Simulation ist mehr als Software. Ein elementarer Baustein einerleistungsstarken Simulationslösung ist die geeignete Hardwareund IT-Infrastruktur. Durch ein gut abgestimmtes Zusammen-

spiel mit der Hardware werden die Performance der Softwareund damit auch der Umfang und die Genauigkeit der Analysesignifikant gesteigert, beispielsweise durch HPC-Anwendungen(High Performance Computing).Deshalb unterstützt Sie CADFEM auch umfassend beim

Thema Hardware. Mit Einzelkomponenten, einsatzfertigen Kom-plettsystemen und zuverlässigem Hardwaresupport. Ihr Vorteil:Hardwaresysteme, die kurzfristig betriebsbereit und exakt aufIhre CAE-Anforderungen zugeschnitten sind. Betriebssystem,Treiber, Simulationssoftware und auf Wunsch auch Drittprodukte(CAD, Lastverteilung) sind installiert, konfiguriert und getestet.Der CADFEM Service endet nicht mit der Inbetriebnahme der

Hardware. Auf Wunsch stellen wir auch den laufenden Betriebsicher und kümmern uns um die Wartung Ihres Hardware-systems. Auf Basis eines Service-Level-Agreements (SLA) wirddie Verfügbarkeit der betreffenden Hardware mit definiertenReaktionszeiten abgesichert.

Langjährige Partnerschaft mit HP

CADFEM und HP verbindet eine langjährige Partnerschaft.Als zertifizierter HP Preferred Partner und HP Gold Partnerbeliefert CADFEM seine Kunden seit vielen Jahren mit ausgesuchter Hardware, mit der auch die hohen Anfor-derungen bei Simulationsanwendungen erfüllt werden.CADFEM selbst nutzt überwiegend HP-Hardware, vonNotebooks über Workstations bis hin zu Servern. Unter an-derem wird in der Grafinger Zentrale von CADFEM einCAE-Cluster mit elf HP-Servern betrieben. Kunden profi-tieren bei der Hardwarebeschaffung von dieser engenPartnerschaft: Sie ermöglicht Top-Konditionen und kurzeReaktionszeiten in Verbindung mit profundem Hardware-und Simulations-Know-how.

CADFEM – weil CAE-Simulationmehr ist als Software

Produkte – Service – Wissen

I

Simulation macht vieles möglich. Unter-nehmen und Wissenschaftler sparen Zeitund Kosten und entwickeln wegweisendeInnovationen, indem sie Produktideensowie Optimierungsmöglichkeiten am Bild-schirm ausloten und umsetzen. Menschenprofitieren von Produkten mit deutlich höherer Qualität und neuen Eigenschaften.Umweltbelastungen nehmen ab, und der Bedarf an Naturressourcen sinkt.

2013 GOLD

Specialist

Bild: shutterstock.com/sam100


Produkte

CADFEM verfügt über ein komplet-tes Portfolio von CAE-Software undHardware führender Technologiean-bieter.

ANSYS SoftwareANSYS bietet Programme für nahezujede Anwendung. In der Industriezählt ANSYS zu den meistgenutztenLösungen. Auch in Forschung undLehre ist ANSYS die weltweit amhäufigsten eingesetzte Software.

Komplementäre ToolsUnser Softwareportfolio deckt auchSpezialanforderungen ab. Mit Pro-dukten wie AnyBody, Diffpack, LS-DYNA, opti SLang und den CADFEMANSYS Exten sions.

eCADFEM – Software on DemandMit eCADFEM nutzen AnwenderCAE-Programme besonders flexibelund bedarfsgerecht. Nur wenn undnur solange sie sie brauchen.

Hardware + KomplettsystemeWir liefern Einzelkomponenten, ein-satzfertige Komplettsysteme undumfassendem Hardwaresupport.

Service

Damit unsere Kunden CAE-Potenzia-le ausschöpfen kön nen, erhalten sieauch vielfältige Dienstleistungen.

Infotage + SeminareMit Infotagen und softwarebezoge-nen Seminaren bleiben CAE-Anwen-der auf dem neuesten Stand und er-halten gezielte Weiterbildung, dieeine effiziente Softwarenutzung er-leichtert.

AnwendersupportMehr als 130 CADFEM Ingenieureunterstützen Kunden im Tagesge-schäft, etwa bei Bedienfragen odermit Zweit meinungen zu Modellenund Varian ten.

Prozessautomatisierung + CustomizationWir implementieren automatisierteWorkflows und entwickeln firmen-spezifische Funktionserweiterungenund vertikale Applikationen.

Simulation im AuftragCADFEM führt komplette Auftrags-berechnungen einschließlich Nach-weisführung durch. Neben Ergebnisund Bewertung transferieren wirauch Know-how zur Lösung an denKunden weiter.

Wissen

CADFEM pflegt den Dialog mit Wirt-schaft und Forschung und fördertden Erfahrungsaustausch unter CAE-Anwendern.

CADFEM esocaetDie European School of ComputerAided Engineering Technology stehtfür zertifizierte CAE-Weiterbildung:von Seminar über Sommerakademiebis Hochschulstudium.

CADFEM Users’ MeetingIn Kooperation mit ANSYS organi-sieren wir die größte jährliche Fach-konferenz zur numerischen Simu-lation: ANSYS Conference & CADFEMUsers� Meeting. Seit über 30 Jahrender Treffpunkt für CAE-Anwender un-terschiedlicher Branchen.

TechNet AllianceAls Mitglied der TechNet Alliance hatCADFEM Zugang zum Know-howvon über 1.000 CAE-Experten. DasNetzwerk zählt mehr als 50 Unter-nehmen aus über 20 Ländern.

CADFEM FachmedienWir liefern aktuelles CAE-Wissen ingedruckter und elektronischer Form,etwa im CADFEM Journal mit mehrals 35.000 Lesern, in Fachbüchernoder auch im CAE-Wiki.


ußerdem hat sich in den 1980er und 1990er Jahrenfür Simula tionsanwendungen vielfach ein Wandelvon zentralisierten Mikrocomputern hin zu Work-stations direkt am Arbeitsplatz vollzogen. Aktuelle

Trends lassen dagegen eine neue Zentralisierung erwarten.

Workstations

Workstations, wie etwa die HP Modelle der Z-Serie, bieten einegroße Leistungsfähigkeit bei sehr gutem Preis/Leistungs-Ver-hältnis und sind autark und dezentral nutzbar. Große Arbeits-speicher von bis zu 512 GB und Mehrprozessor-Systeme sorgenfür eine hohe Rechenleistung. Festplatten und Solid State Diskslassen sich gemeinsam einsetzen und ermöglichen eine schnelleDatenspeicherung temporärer Berechnungsdaten. Einzelne An-wender können auf einer solchen HP-Z-Workstation sämtlicheArbeitsschritte, die für die Simulation relevant sind, effektivdurchführen. Dazu gehören neben der Lösung des Gleichungs-systems auch die Aufbereitung der Aufgabenstellung mit Geo-metrieerzeugung, Vernetzung und Randbedingungen, sowie dieErgebnis visualisierung. Eine hohe 3D-Grafikleistung und die

A

Hardware und Software für effiziente Simulation

SinnvolleAufgaben-verteilungBereits in den 1980er Jahren hat das IT-Beratungsunternehmen Gartner der simulationsgesteuerten Produktent-wicklung große Entwicklungspotentialevorhergesagt, die sich unter anderemdurch die Verfügbarkeit exponentiell ansteigender Rechenleistung erschließenlassen sollten. Werden heutige Computerbetrachtet, stellt man fest, dass dieLeistung früherer Supercomputer heuteschon an normalen Büro-Arbeitsplätzenverfügbar ist.

Bilder: H

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lokale Verfügbarkeit aller Daten gewährleisten dabei für denAnwender einen direkten Zugriff und schnelle Verarbeitung.

Compute-Server

Mit der zunehmenden Nutzung von Simulationen steigt derBedarf nach skalierbarer Rechenleistung. Zentralisierte Com-pute-Server wie die HP-Proliant-Serie bieten vielfältige Ausbau-möglichkeiten in Bezug auf Prozessorkerne, Arbeitsspeicher,Plattenkapazität und -geschwindigkeit. Typische Compute-Server für Berechnungsgruppen von fünf bis zehn Personen mitstrukturmechanischen Aufgabenstellungen sind heute mit 64bis 512 Kernen und 512 GB bis 4 TB Arbeitsspeicher ausge-stattet. Neben der absolut höheren Rechenleistung spielenvielfach auch die flexible, weil zentral organisierte Leistungsver-teilung, die bessere Auslastung, höhere Energieeffizienz undzentrale Datenablage eine große Rolle. Da Compute-Serverkeine 3D-Grafikleistung enthalten, wird das Pre- und Postpro-zessing oft mit dezentralen Workstations durchgeführt, wasjedoch eine leistungsfähige Netzwerkanbindung aufgrund dergroßen Ergebnisdaten voraussetzt.

Blade-Workstation

Leider ist die Netzwerk-Bandbreite für eine leistungsfähige An-bindung eines dezentralen Pre- und Postprozessings auf Work-stations nicht immer gegeben. Folglich werden die Workstationsheute oftmals in Form von sogenannten Blade-Workstationszum Compute-Server verlagert. Die HP-Blades bringen Work-station-Technologie mit 3D-Grafikleistung in kompakter, server-kompatibler und ausfallsicherer Technik zum Compute-Server(Bild 1). Durch die direkte Anbindung der HP-Blade-Worksta-tions an den HP-Compute-Server (10 Giga-bit-Ethernet) könnendie Ergebnisdaten vom Compute-Server mit hoher Geschwin-digkeit direkt verarbeitet werden.

Die in der Workstation berechnete 3D-Grafikdarstellung wirdüber das Netzwerk – auch über Standortgrenzen hinweg – mitgeringer Netzwerkbelastung an den Arbeitsplatz des An-wenders übertragen, der keine lokale Rechenleistung mehr benötigt, sondern nur noch ein Terminal (thin client). Das Auf-schalten (remote access) eines Anwenders auf eine HP-Blade-Workstation erfolgt exklusiv, so dass die entsprechende 3D-Grafikleistung für diesen Anwender reserviert ist.

Bild 1: Workstations werden oftmals in Form von sogenannten Blade-Workstations zum Compute-Server verlagert.

3D visualization data

Simulation data


Virtuelle Workstations

Für eine höhere Flexibilität bei der Zuordnung von Anwendernzur Hardware hat sich in den letzten Jahren die Virtualisierungetabliert. Desktop-Virtualisierung für übliche Büro-Arbeitsplätzeist ein gängiges Verfahren, um einheitliche Software-Umge-bungen, zentrale Datenhaltung und flexible Hardware-Aus-lastung zu ermöglichen. Diese Art der flexiblen Kopplung vonAnwendern mit der für sie erforderlichen Hardware war für 3D-Anwendungen (wie ANSYS) auf Basis des OpenGL-Standardslange Zeit nicht realisierbar. Neue Entwicklungen (z. B. NICE DCV)schließen diese Lücke in der Virtualisierungstechnik, so dass auchfür 3D-Anwendungen eine gemeinsame Nutzung von Hardwarezu höherer Effizienz, vereinfachter Administration und gerin-geren Kosten führt. Im Cluster wird dafür neben zentralisierterRechenleistung auch zentralisierte Grafikleistung zur Verfügunggestellt, die dann gemeinsam optimal genutzt werden kann.

(Private) Cloud

Die Kombination von zentral bereitgestellter Rechenleistung fürdie Lösung anspruchsvoller Simulationsaufgaben und von 3D-Grafikleistung für das Pre- und Postprozessing ermöglicht es,die gesamte erforderliche CAE-Infrastruktur zu zentralisieren.Diese Zentralisierung bietet dem Anwender mehrere Vorteile:

erstens einen flexiblen Zugriff von verschiedenen Standorten in-nerhalb des Unternehmens, zweitens eine hohe Rechen- undGrafikleistung, die bei Bedarf flexibel erweitert werden kann,und drittens eine hohe Verfügbarkeit. Für die IT-Abteilung sindder direkte Zugriff, die einfache Administration, eine hohe Da-tensicherheit und einfache Erweiterbarkeit wichtige Argumente.Die Wahl des Standortes eines solchen Rechnersystems spieltfür den Anwender keine Rolle. Ähnliche Entwicklungen sind imBereich der Public-Cloud-Lösungen zu beobachten, die bishervorwiegend im Privatbereich genutzt werden. Bei diesen Lö-sungen werden die Rechenleistung und Speicherkapazität vonunbekannten Computern an unbekannten Orten zur Verfügunggestellt. Unternehmensspezifische Lösungen bieten hier jedochden Vorteil der eigenen Datenhoheit und gewährleisten Daten-sicherheit.

Konfiguration und Management

Die Konfiguration der vorgestellten Hard ware-Lösungen hängtvon vielen Faktoren ab, beispielsweise von der Anzahl der Anwender, der Analyseart (CFD, FEM, implizit, explizit), der Modellgröße, der Anzahl der simultanen Analysen, der Netz-werkanbindung oder dem Daten management. CADFEM berätund unterstützt nicht nur bei der Auswahl und Konfigurationeiner kundenspezifischen HP-Hardware-Lösung, sondern auch

Bild 2: Der Einsatz von GPU‘s bietet zusätzliche Möglichkeiten zur Leistungssteigerung.


Xeon 5670 2.93 GHz Westmere (Dual Socket)

ANSYS Mechanical Times in Secon

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1 Core 2 Core 4 Core 6 Core 8 Core 12 Core

2 Socket1 Socket

V13sp-5 Nodel

• Turbinegeometry

• 2,100 K DOF• SOLID 187 FEs• Static, nonlinear• One iteration• Direct sparse

Xeon 5670 2.93 GHz Westmere + Tesla C2075

Add a Tesla C2075 touse with 6 cores: now46 % faster than 12,with 6 available for

other tasks

Loweris Better

3000

2000

10004.2x

3.5x2.7x

2.1x 1.9x

0

846

314

564

273

516

270399

1848

444

1192

342


Bild 3: Die HPC Packs werden durch die Verwendung von HPC Parametric Pack für simultane Variations-berechnungen ergänzt.

bei der Inbetriebnahme der passenden IT-Infrastruktur, damit diespeziellen Anforderungen der Simulation an Hardware undSoftware effektiv erfüllt werden können. Darüber hinaus istCADFEM auch der richtige Partner, um die Systemverfügbarkeitder CAE-Cluster aufrecht zu erhalten und zu gewährleisten (SLA– Service Level Agreement), damit die Entwickler und die IT-Ab-teilung sich ungestört auf ihre Kernaufgaben konzentrierenkönnen. Diese ganzheitliche Betreuung gewährleistet definierte,kurze Antwortzeiten, klare Zuständigkeiten und kurze Wege zurLösung eventuell auftretender Probleme.

Wofür so viel Rechenleistung?

Jede Simulation ist ein Abbild der Realität, das Vereinfachungenbeinhaltet, die das Ergebnis mehr oder weniger beeinflussen.Eine höhere verfügbare Rechenleistung bedeutet daher, diesenVereinfachungen weniger Raum zu geben und damit die Ge-nauigkeit der Simulation weiter zu steigern. Dabei ist ent-scheidend, die gewünschten Ergebnisse zeitnah zu erhalten –

auch bei anspruchsvollen Simulationen und großen Modellen.Nach wie vor wird die Berechnung über Nacht als typi-sche Grenze deklariert, an der man sich bezüglich des Detail-und damit des Genauigkeitsgrades orientiert. Liegen Berech-nungsergebnisse erst nach 30 statt nach 14 Stunden vor, kanndie Designbewertung nicht mehr am nächsten, sondern erstam übernächsten Tag erfolgen. In den heutigen, eng ge-steckten Projektplänen führt dies zu nicht akzeptablen Verzö-gerungen.

Neben der Beschleunigung einzelner, großer oder anspruchs-voller Simulationsaufgaben bietet hohe Rechenleistung denVorteil, die Simulation nicht mehr nur als Werkzeug zumNachweis bestimmter Produkteigenschaften einzusetzen,sondern vielmehr durch systematische Variation ein besseresVerständnis von Zusammen hän gen zu erzielen. Damit wird eine simu lationsgesteuerte Produktentwicklung ermöglicht.

Parallele und simultane Simulationen

Um hohe Rechenleistung effektiv und kostengünstig nutzen zukönnen, wurden von ANSYS, Inc. neue Solver-Technologien undLizenzoptionen entwickelt. Produkte wie ANSYS HPC undANSYS HPC Pack für Mechanik und Strömungsmechanik oderElektromagnetik ermöglichen eine Parallelisierung der Be-rechnung und damit das Verteilen einer Simulationsaufgabe auf

Nach wie vor wird die Berechnung über Nacht als typische Grenze deklariert, an der man sich bezüglich des Detail- und damit des Genauigkeits-grades orientiert.

Number of Simultaneous Design Points Enabled

Number of HPC Parametric Pack Licenses

64

32

16

84

1 2 3 4 5


Produktivitätssteigerung – Kostenreduktion –Berechnungseffizienz – Optimierung

In der heutigen wettbewerbsorientierten Produktent-wicklung bietet High Performance Computing (HPC) in Verbindung mit ANSYS einen herausragenden Wertund Return on Investment. Parallel Computing und HPC erhöhen das Verständnis, die Produktivität und die Genauigkeit in der Simulation: schnellerer Durchlauf,Kostenreduktion, systematische Designvariationen undkomplexere Modelle. Dieser technische Informationstag gibt einen Überblicküber aktuelle Hardware-Technologien, aktuelle Bench-mark-Ergebnisse aus Anwendersicht, sowie neue Mög-lichkeiten zur Berechnung großer Modelle und umfang-reicher Designvariationen. Darüber hinaus werdenneben der reinen Leistungsoptimierung auch der zusätz-liche Vorteil von kunden-spezifischen Hardware- undSoftware-Konfigurationen und des IT-Betriebes darge-stellt.

Wir laden Sie und Ihre Kollegen herzlich zu dieser kos-tenfreien Veranstaltung ein!

11.07.2013 in Nürnberg 25.09.2013 in Hamburg 05.11.2013 in Böblingen

www.cadfem.de/technologietag-hpc

Technologietag: Optimaler Einsatz von HPC & IT-Technologie

verschiedene Kerne innerhalb eines oder verteilt über ver-schiedene Rechner. Durch die Kombination von solchen Li-zenzen lässt sich eine exponentielle Steigerung der nutzbarenProzessorkerne (bis 2048!) erreichen. Darüber hinaus bietenGPU‘s (graphics processing units), die analog einem mathema-tischen Co-Prozessor nutzbar sind, zusätzliche Leistungssteige-rungen um bis zu 50 % (Bild 2).

Bei der systematischen Variation von Analysen anhand einesVersuchsplans (Design of Experiments, DoE) spielen die mitVersion 14.5 von ANSYS verfügbaren HPC Parametric Pack Li-zenzen ihren Vorteil aus. Sie multiplizieren die Anzahl der mög-lichen Zugriffe auf eine Solver-Lizenz und unterstützen gleich-zeitig die Parallelisierung.

Eine ANSYS Mechanical Lizenz mit einem HPC Pack, die nor-malerweise für eine Analyse auf bis zu 8 Kernen eingesetztwerden kann, ist mit einem zusätzlichen HPC Parametric Packfür bis zu 4 simultane Variationsberechnungen auf 32 Kerneneinsetzbar (Bild 3). Weitere HPC Parametric Pack Lizenzensteigern die Zahl der simultanen Berechnungen auf 8, 16, 32und 64 (mit jeweils 8 Kernen: also auf 64, 128, 256 und 512Kernen).

Elektronische und menschliche Gehirne

Rechenleistung war und ist auch heute noch ein Schlüsselelementfür eine sinnvolle Modellbildung und eine genaue Ergebnis-aussage. Während Anfang der 1990er Jahre Modellgrößen mit10.000 Knoten üblich waren, liegen diese heute bei einigen Mil-lionen, was das „Moor’sche Gesetz“ zu einer Verdopplung derRechenleistung alle 24 Monate ganz gut widerspiegelt. DiesenGewinn an Rechenleistung können Ingenieure heute nutzen, umgrößere Strukturen mit mehr Details zu berechnen. Vor allemkönnen sie auf Automatismen, beispielsweise automatische Netz-verfeinerungen, zurückgreifen, so dass sie nicht ständig zu einermöglichst „knotensparenden“ Modellierung gezwungen sind,sondern den Fokus auf die Bewertung von Simulationsergeb-nissen, die Interpretation der physikalischen Zusammenhängeund damit den Erkenntnisgewinn legen können. Durch die im-mense Rechenleistung „elektronischer Gehirne“ ist damit derWeg für eine sinnvolle Aufgabenverteilung geebnet, nämlich dasssich menschliche Gehirne auf den eigentlich interessanten Teil derIngenieurarbeit konzentrieren: Wissen, Kreativität und Innovation.

Christof Gebhardt


HPC Parametric Packs multiplizieren die Anzahl der möglichen Zugriffe aufeine Solver-Lizenz und unterstützengleichzeitig die Parallelisierung.

Variante 1:

HP Z820 Workstation• HP Windows 7 Pro 64-bit• 32 GB RAM• 8 Kerne: 2 x Intel Xeon E5-2643, 3.30 GHz• 256 GB SATA SSD + 1.2 TB SAS HDD Disk• NVIDIA Quadro K4000 3.0 GB• HP Liquid Cooling• inkl. HP Remote Graphics (RGS) Lösung• Gewährleistung 3 Jahre• Reaktionszeit Hardware-Support 4 Stunden

inkl. Installation von Betriebssystem und Ihrer ANSYS- oder LS DYNA-Lizenz mit Prüfprotokoll

Variante 2:

HP Server SL250s Gen8• Gehäuse HP s6500• 128 GB RAM• 8 Kerne: 2 x Intel Xeon E5-2609 2.40 GHz• 1.8 TB SAS Disk• 1 x NVIDIA Tesla K20 GPU• HP Microsoft Windows Server 2012 Standard ROK (Downgrade auf Windows 2008 R2 Enterprise Server)• Gewährleistung Hardware 3 Jahre, 4 Stunden, 13x5

inkl. Installation vor Ort des Betriebssystems und Ihrer ANSYS-Software, mit Prüfprotokoll,

Workstation und Server von HP, GPU von NVIDIAHigh Performance Computing mit ANSYS Software, HP-Workstation, HP-Server, NVIDIA-GPU-Beschleuniger & CADFEM Services

Performance im Paket

Manfred BayerlCADFEM GmbHMarktplatz 285567 Grafing b. München

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-39Fax +49 (0) 80 92-70 05-77Mobil +49 (0)160-8 97 03 [email protected]

Ihr Ansprechpartner

GPU Power für

ANSYS HPC Pack


Das Angebot von HP für Simulations-anwendungen umfasst eine breite Palettevon Hardware-Komponenten. Hier wirdein Überblick über HP Produkte geben,die im Zusammenhang mit HPC-Anwen-dungen sinnvoll einsetzbar sind. Nebenden klassischen Arbeitsplatzrechner für technische Anwendungen wie den HP Workstations der Z-Serie und den mobilen Workstations werden auchimmer öfter Blade-Workstations für HPC-Konfigurationen eingesetzt, da diese zentralisiert im Rechenzentrum auf-gestellt werden können. Im Server-Bereich kommen neben den klassischenCompute-Server auch Server-Blades undGPU-Server zum Einsatz. Jedoch reichtdas HP Angebot für HPC-Anwendungennoch weiter, beispielsweise bis zur IT-Infrastruktur mit Speicherlösungen und Remote Graphics Software. Mehr detaillierte Informationen dazu finden Sie auf dieser und den folgenden Seiten.

HP Hardware-Komponenten für HPC-Anwendungen

Zuverlässige Plattformen fürSimulationen

WorkstationsZ800er Serie

Konzipiert für High-End-Computing und Visualisierung. Die HPZ820 Workstation mit zwei Prozessoren besticht durch erst-klassige Leistungsmerkmale, ein mehrfach ausgezeichnetesDesign, werkzeugfreie Wartungsvorgänge und ein Gehäuse mitden branchenweit meisten Erweiterungsmöglichkeiten. MitIntel® Xeon® Prozessoren der nächsten Generation, Unter-stützung für bis zu 16 Prozessorkerne und der neuesten profes-sionellen Grafikkarte lassen sich auch die anspruchsvollsten Pro-jekte bewältigen.

Key Facts� Bis zu 16 Kerne� Bis zu 512 GB Arbeitsspeicher� 4 +3 Laufwerkseinschübe� Bis zu 3 highend Grafikkarten

Z400er Serie

Leistung, die Ihren Ansprüchen gerecht wird. Ein Potenzial, aufdas Sie nicht verzichten möchten. Die HP Z420 Workstationbietet professionelle Erweiterungsmöglichkeiten in einem leichtzugänglichen Minitower – und das zu einem unschlagbarenPreis. Bis zu acht separate Prozessorkerne, die neueste Prozes-sortechnologie und I/O-Leistung von Intel® sowie die aktuelleGrafikkartentechnologie von führenden Grafikkartenanbieternsorgen dafür, dass die HP Z420 Workstation Ihren Ansprüchenin puncto Leistung gerecht wird, damit Sie produktiv arbeitenkönnen.

Key Facts� Bis zu 8 Kerne� Bis zu 64 GB Arbeitsspeicher� 3 + 3 Laufwerkseinschübe� Bis zu 2 highend und 3 entry Grafikkarten Bi

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HP EliteBook 8770w Mobile Workstation

Leistungsstärke für Produktivität. Die für Windows® 7 Profes-sional geeignete und leistungsfähigste mobile Workstation vonHP bietet eine äußerst leistungsstarke, professionelle Grafik-karte, höchste Prozessorleistung und ein Display mit einer Dia-gonalen von 43,9 cm (17,3”) im modernen Design.Professionelle Benutzer benötigen eine hohe Prozessorleistungund einen großen Systemspeicher mit hochwertigen und pro-fessionellen Grafiklösungen und ISV-Zertifizierungen (Inde-pendent Software Vendor)

Key Facts� Bis zu 4 Kerne� Bis zu 32 GB Arbeitsspeicher� 2 Laufwerke

Blade Workstations

Benötigen Sie leistungsstarke Workstations mit der Sicherheitund Verwaltbarkeit eines Rechenzentrums? Die HP ProLiantWS460c Gen8 Workstation Blade ermöglicht die Zentralisierungaller Workstations im Unternehmen in Ihrem Rechenzentrum an-statt eigenständige Einheiten für die Benutzer bereitstellen zumüssen.

Mit Blade-Workstations im Rechenzentrum kann die Rechen-leistung einfacher, sicherer und kostengünstiger verwaltetwerden. So erzielen Sie eine höhere Systemverfügbarkeit, einenoptimierten unterbrechungsfreien Betrieb, eine höhere Si-cherheit im Rechenzentrum und niedrigere IT-Kosten. DieseWorkstation-Infrastruktur der nächsten Generation vereint diezentralisierte, geschäftskritische Kontrolle und Sicherheit einesRechenzentrums mit der nahtlosen, bedarfsorientierten Leistung

Z Workstation und Monitor


der Workstations zu der nötigen Flexibilität, die für die Unter-stützung von Experten an mehreren Arbeitsorten unabding-bar ist.

Die WS460c Gen 8 bietet eine optimierte Benutzerum-gebung, eine bessere Ressourcennutzung, Fernzugriff und dieRemote-Zusammenarbeit von Einzelpersonen und Gruppen inEchtzeit.

Zentrale, aufgabenkritische Steuerung und Sicherheit inRechenzentren� Die HP ProLiant WS460c Gen8 Workstation Blade nutzt einezentrale Blade-Infrastruktur und verringert so technologischeRisiken bei den Geschäftsabläufen.

� Kritische Unternehmensdaten verbleiben sicher im Rechen-zentrum. Schützen Sie sich vor dem Verlust von geistigemEigentum, das auf Client-Geräten gespeichert wird.

Leistungsstärke von Workstations� Gemeinsame Nutzung an dezentralen Standorten vonerweiterten Multimedia-Workstation-Grafikkarten mit meh-reren 2D- und 3D-Displays und Full-Motion-Video-Funktion.

� Sie können bis zu vier Bildschirme pro Client steuern undmehrere Datenverarbeitungssitzungen über jeden Bildschirmausführen. Experten erhalten so je nach Bedarf den Zugriffauf die Rechenleistung, die sie gerade benötigen.

� Eignet sich für NVIDIA Quadro 3000, Quadro 1000 (eineoder zwei) und Quadro 500 (eine oder zwei) MezzanineGrafikkarten.

Flexibilität über mehrere Standorte� Einfacher Zugriff auf Blade-Workstation-Ressourcen vonThin-Client-Geräten und von Microsoft Windows®-basiertenWorkstations, PCs und Notebooks.

� Ermöglicht es versierten Fachexperten rund um den Globus,als Team an der gleichen Anwendungen zu arbeiten,während die Daten dennoch gesichert bleiben.

Key Facts� Bis zu 16 Kerne� Bis zu 512 GB Arbeitsspeicher� Bis zu 2 Laufwerke� GPU-Unterstützung

HP Hardware-Komponenten für HPC-Anwendungen

Blade Workstation WS460c Gen 8 HP ProLiant DL 580 Server

Compute Server

HP ProLiant DL Server (100er, 300er, 500er Serie)Die Server der 100er Serie sind leistungsfähige, kostengünstige,kompakte Rack-Server für speicherintensive Hochleistungscom-puting-Umgebungen, Web-Services und speicherintensive An-wendungen.

Die Server der 300er Serie liefern ein herausragendes Preis-Leistungs-Verhältnis, Verwaltungsfunktionen der Enterprise-Klasse und skalierbare Funktionen, um die Anforderungen all-gemeiner Workloads heute und in Zukunft zu erfüllen. Sieeignen sich ideal für kleine und mittelständische Unternehmensowie für Großunternehmen, die grundlegende Funktionen ineinem optimierten Design wünschen.

Die Server der 500er-Serie bieten sich als vielseitige und äu-ßerst leistungsfähige Systeme für expandierende Rechenzentrenan. Sie sind flexibel verwendbare Multi-Core Rack-Server mit 4Sockets sowie Erweiterungsoptionen, die sich hervorragend fürdie Server-Virtualisierung und -konsolidierung, mehrstufige Un-ternehmensanwendungen und unternehmensweite Infrastruk-turanwendungen eignen.

Key Facts� Bis zu 40 Kerne je Knoten� Bis zu 2 TB Arbeitsspeicher je Knoten� Bis zu 8 Laufwerke

HP ProLiant Server Blades (400er Serie)Der HP ProLiant BL460c Gen8 ist ein Server-Blade mit 2 Sockets,der für hohe Leistung, mehr Flexibilität und vereinfachtes Ma-nagement ausgelegt ist und damit neue Maßstäbe bei der Datenverarbeitung im Rechenzentrum setzt.

Er bietet noch bessere Leistungsmerkmale: um 33 % größererDIMM-Speicher, Intel® Xeon® E5-2600 Prozessor mit zusätzlicherUnterstützung für 135 W-Prozessoren, schnellere E/A-Steckplätzeund erweiterter Smart Array Controller, der nun standardmäßigzusammen mit Flash Back Write Cache mit 512 MB geliefert wird.

Key Facts� Bis zu 16 Kerne je Blade� Bis zu 512 GB Arbeitsspeicher je Blade� Bis zu 2 Laufwerke


GPU Server

Der neue HP ProLiant SL250s Gen8 Server mit HP ProActive In-sight Architektur besticht durch eine noch bessere Konfigurier-barkeit für optimale Leistung und Scale-Out-Implementierungenim Hinblick auf die Verringerung der Gesamtbetriebskosten. Biszu vier HP ProLiantSL250s Gen8 Knoten in einem modularen4U-Formfaktor, die auf das skalierbare HP s6500 System zuge-schnitten sind. Darüber hinaus können auf jedem Knoten bis zudrei GPUs oder vier zusätzliche 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerke in-stalliert werden. Der HP ProLiant SL250s Gen8 Server umfasstdas exklusive HP SmartMemory und bietet eine um 25 Prozentgrößere Speicherbandbreite zur Verbesserung der Leistung beibestimmten Anwendungen. Der HP ProLiant SL250s mit ServerLifecycle Automation beinhaltet das exklusive HP Active HeathSystem und sorgt so für eine kontinuierliche, proaktive Überwa-chung von mehr als 1.600 Systemparametern, ohne dass sichdies auf die Anwendungsleistung auswirkt.

Key Facts� Bis zu 16 Kerne je Knoten� Bis zu 512 GB Arbeitsspeicher je Knoten� Bis zu 4 Platten bei voller GPU-Bestückung� Bis zu 3 GPU‘s

InfrastrukturHP Speicherlösungen

Optimieren Sie Ihre Systemumgebung zum jetzigen Zeitpunktmit einer Speicherlösung, die zu einem höheren Return-on-In-vestment beiträgt und die Umstellung auf Virtualisierungslö-sungen und die Cloud zum richtigen Zeitpunkt vereinfacht.

� HP Datenträgergehäuse� HP Storage Blades

HP Systemgehäuse c3000, c7000, s6500

Das HP BladeSystem c3000 Platinum-Gehäuse umfasst neueFunktionen für das HP BladeSystem. c3000 spricht drei separate

Marktsegmente an: 1) Fernstandorte, die zwischen 2 und 8Server-Blades benötigen; 2) mittelgroße Unternehmen, die zwi-schen 3 und 100 Server betreiben; 3) Großunternehmen mitspeziellen Anforderungen im Rechenzentrum, z. B. Gleichstromoder sehr begrenzte Kapazität der Stromversorgung undKühlung.

Ähnlich wie beim c7000 erhalten Sie mit dem intelligentenManagement durch Onboard Administrator umfassende Steue-rungsmöglichkeiten für Ihre Blade-Infrastruktur. Eine Multi-Terabit-Backplane gewährleistet, dass das c3000 Gehäuse dieheutigen Gigabit-Netzwerke unterstützen kann und eine pro-blemlose Migration zu den 10 Gigabit-Lösungen der Zukunftmöglich ist.

Gemeinsam genutzte Infrastruktur und Fokussierung auf Wartungsfreundlichkeit� Common Slot Netzteile� Common Slot Lüfter mit Redundanzoptionskit� Lokale oder Remote-Verwaltungsoptionen

Geringere Gesamtbetriebskosten und Investitions-ausgaben� Platzsparende Raumnutzung � Gemeinsame Stromversorgung und Kühlung für eineoptimierte und kostensparende Lösung

� Modulare und gemeinsame Infrastruktur für einfachesÄnderungsmanagement

� Flexible Netzwerkoptionen, die schon heute die Anforderungen von morgen erfüllen

� HP Integrated Lights-Out (iLO 4) für erstklassigeVerwaltung, Überwachung und Steuerung

HP Remote Graphics Software RGS

HP Remote Graphics Software (RGS) ist ein leistungsstarkes Ver-bindungsprotokoll für Remote-Desktop-Systeme, das durch eineherausragende Funktionsweise für Remote-Desktop-Benutzerüberzeugt und vielfältige Benutzerumgebungen zur Verfügungstellt, wie Videos, Web-Flash-Animationen und grafikintensiveAnwendungen. Alle Anwendungen werden nativ auf dem Remotesystem ausgeführt und nutzen die Computer- und Hard-ware-Grafikressourcen des sendenden Systems.

Systemgehäuse c 7000HP ProLiant BL460c Gen8


as Team von MicroConsult um Dr. Herbert Güttlergehört zu den weltweiten Spezialisten für die Erhöhung der Produktivität von ANSYS auf der Basisvon High Performance Computing (HPC). Sogar

ANSYS, Inc. in Canonsburg greift immer wieder auf die Erfah-rungen von MicroConsult zurück.Komplexe Systeme in hoher Detaillierung in kürzester Zeit

untersuchen zu können – das ist der Nutzen von HPC, HighPerformance Computing, im Bereich der numerischen Simu-lation. Mit HPC werden außergewöhnlich große Modelledurch die parallele Nutzung von Prozessoren berechenbar,ohne dass Abstriche bei den Details und damit bei der Ergeb-nisqualität gemacht werden müssen. Auch Anwender ohneextreme Modellgrößen profitieren von HPC: Die massive Be-schleunigung von Berechnungsläufen führt dazu, dass Ergeb-nisse „über Nacht“ vorliegen. Eine Lizenz wird so intensivergenutzt und rechenintensive Technologien wie die parame-trische oder simultane Simulation von Designvarianten rückenins Blickfeld.Der Erfolg von HPC im Berechnungsalltag steht und fällt mit

dem optimalen Zusammenspiel der mit HPC-Packs erweitertenANSYS Software und den Hardware-Ressourcen – allen vorander zur Verfügung stehenden Prozessortechnologie. CADFEM

unterstützt seine Kunden dabei und kann als „überzeugterSelbstnutzer“ auch eigene Erfahrungswerte weitergeben. Undwenn die CADFEM Experten an Grenzen stoßen, dann kann aufdie HPC-Kompetenz von MicroConsult zurückgegriffen werden,einem hochspezialisierten Partner von CADFEM und ANSYS ausdem schwäbischen Bernstadt bei Ulm.

Know-how von MicroConsult

Wahrscheinlich steckten auch die sprichwörtliche Freude derSchwaben am Sparen und ihr nicht weniger kennzeichnenderHang zum Tüfteln dahinter. Der eigentliche Auslöser von Micro-Consult, sich intensiv mit ANSYS HPC-Anwendungen auseinan-derzusetzen, war eine Anfrage zur Durchführung von Kriech-simulationen an Lötstellen. Ziel dieser extrem aufwändigen Simulationen ist es, die Mechanismen besser zu verstehen, diezum Ausfall einer Lötstelle führen können.

Aus zwei Wochen …

Dies war im Jahr 2008, als ANSYS 11 gerade aktuell und ver-teiltes Rechnen neu und noch einigen Beschränkungen unter-worfen war. Bis dahin waren vergleichbare Untersuchungen nur

Wer hat an der Uhr gedreht?

Mit HPC die Rechenzeiten drastisch reduzieren

D

Wenn es um die rekordverdächtige Verkürzung von Rechen zeiten durchsinnvolle Kombinationen von ANSYSSoftware und Hardware-Ressourcengeht, dann ist man bei MicroConsult Engineering aus Bernstadt auf derSchwäbischen Alb an der richtigenAdresse.

Bild: shutterstock.com/Kevin Renes


am Einzelbauelement oder an einzelnen Lötstellen üblich. Derkomplette Analysezyklus besteht aus mehreren Schritten: Derthermischen Simulation auf der Systemebene folgt eine ther-momechanische Analyse. Anschließend wird das Ergebnis auf ein Submodell interpo-

liert und im letzten Schritt die eigentliche Kriechrechnung aufBauteilebene durchgeführt. Die Berechnung mit ANSYS 11 undHarpertown-Prozessoren von Intel beanspruchte auf 16 Kernenallerdings zwei Wochen.

… werden wenige Tage …

Eine ANSYS Version später und mit zusätzlicher Hardwaredauerte dieselbe Berechnung nur noch ein paar Tage. Ent-scheidend für die Beschleunigung waren die konsequenteWeiterentwicklung der HPC-Fähigkeiten, die in ANSYS 12 und13 auf den Weg gebracht wurden, und die neuen Nehalem-Prozessoren von Intel. Zum Erfolg haben auch die Änderungenam Lizenzmodell beigetragen: Akkumulierbare ANSYS HPC-Packs erlauben die Nutzung von bis zu 8, 32, 128, 512 undmehr Kernen, was es einem kleinen Unternehmen wie Micro-Consult erst möglich macht, HPC-Cluster wirtschaftlich zu be-treiben.

… schließlich 12 Stunden

Der nächste Leistungsschub kam im Jahr 2012 mit den Sandy-Bridge-Prozessoren von Intel und ANSYS 14.5. Mit ANSYS 14.5lassen sich auf einem Cluster Simulationen mit mehreren GPU-Beschleunigern pro Server durchführen. Zudem ermöglichen dieneuen Prozessoren eine Verdoppelung der Kerne pro Sockel. Tabelle 1 und Bild 1 geben am Beispiel der Lot Kriechsimulationeinen Überblick über die Leistungsentwicklung und das Skalie-rungsverhalten.

Optimales Zusammenspiel von CPUs und GPUs

MicroConsult untersuchte darüber hinaus, welche Kombinationaus Prozessorkernen und GPUs zur weiteren Beschleunigung dieoptimale Leistung liefert. Dazu wurde der gleiche Anwen-dungsfall mit unterschiedlicher Anzahl von Kernen, GPUs undRechenknoten berechnet. Bild 2 zeigt, dass MicroConsult dieGesamtrechenleistung durch zusätzliche Nutzung von GPUsdeutlich steigern konnte. Gegenüber einer Standardrechnungmit 8 Kernen (= 1 HPC-Pack) lässt sich mit einer zusätzlichenGPU eine Leistungssteigerung um 42 % erreichen. Nachdemeine aktuelle Workstation Platz für bis zu 16 Kerne und 2 GPUs

Tabelle 1: Leistungsentwicklung am Beispiel der Lot Kriechsimulation

ANSYS 11.0 ANSYS 12.0 ANSYS 12.1 ANSYS 13.0 SP02 ANSYS 14 (UP20110901) ANSYS 14.5

Thermal (full model) Time 4 hours 4 hours 4 hours 4 hours 1 hour 0,8 hour 3 MDOF Cores 8 8 + 1 GPU 32

Thermomechanical Time ~ 5.5 days 34.3 hours 12.5 hours 9.9 hours 7.5 hours 6.4 hours 6.3 hours Simulation (full model) Iterations 163 164 195 195 195 196 196 7,8 MDOF Cores 8 20 64 64 128 128 E5 96 E5 + 16 GPUs

Interpolation of Time 37 hours 37 hours 37 hours 0.2 hour 0.2 hour Boundary Conditions Loadsteps 16 16 16 Improved Algorithm 16

Submodel: Creep-Strain Time ~ 5.5 days 38.5 hours 8.5 hours 6.1 hours 5.9 hours 4.2 hours 4 hours 4.8 hours Analysis 5.5 MDOF Iterations 492 492 492 488 498 498 498 498 Cores 18 16 76 128 64 + 8 GPUs 256 128 E5 96 E5 + 16 GPUs

Total Time 2 weeks 5 days 2 days 1 day 0.5 day 0.5 day


bietet, ist mit zwei HPC-Pack-Lizenzen eine Steigerung um 126 %erreichbar. Weitere Erkenntnisse aus Bild 2 sind: Um eine GPUoptimal zu nutzen, sind 4 bis 6 Kerne pro GPU empfehlenswert,denn in der Regel sinkt die erreichbare Leistung, wenn 8 Kerneoder mehr pro GPU eingesetzt werden. Die größten Leistungssteigerungen beim GPU-Einsatz lassen

sich bei Anwendungen mit maximal 32 Kernen und bis zu 4 GPUserzielen. Aus den Ergebnissen mit 128 Kernen wird zweierleideutlich: der Einsatz von je einer GPU pro Rechenknoten führtauf Grund einer „Konkurrenz um Ressourcen“ zu einem Leis-tungseinbruch. Zwischen der Rechnung mit 64 Kernen und 16GPUs und der Rechnung auf der gleichen Hardware aber unterNutzung aller 128 konventionellen Kernen besteht kein (mess-barer) Unterschied – auch beim Lizenzbedarf. Um weitere Leis-

tungssteigerungen zu erreichen, wurden unter anderem vonNvidia neue GPUs entwickelt, die seit Anfang des Jahres 2013verfügbar sind und nach Herstellerangaben mehr als die doppelteRechenleistung bisheriger GPUs liefern sollen. Erste Tests von Mi-croConsult ergaben jedoch geringere Werte, da ANSYS 14.5noch nicht alle Möglichkeiten der neuen Hardware unterstützt.Insgesamt wird deutlich, dass mit einem gezielten Einsatz von

mehr Prozessorkernen und GPUs gemeinsam mit den erforder-lichen ANSYS HPC-Lizenzen ein enormer Leistungsschub voll-zogen werden kann. Bei CADFEM und MicroConsult finden An-wender und IT-Verantwortliche Ansprechpartner, die sie dabeiunterstützen, das enorme Nutzenpotential von HPC-Anwen-dungen schnell und vollständig zu erschließen.

Gerhard Zelder

Mit HPC die Rechenzeiten drastisch reduzieren

Bild 2: Darstellung der GPU Perfor mance mit Kern-Anzahl P, Anzahl von GPU-Beschleunigern G und Rechenknoten N (Compute Nodes).

Bild 1: Skalierungsverhalten am Beispiel der Lot Kriechsimulation.

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128

80

70

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40

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10

0

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70

60

50

40

30

20

10

0

#cores

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ng [r

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day]

Rati

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day]

2P-0G

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16P-0

G-1N

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32P-0

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64P-0

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64P-1

6G-4N

128P

-0G-8N

128P

-8G-8N

128P

-16G-8N

� ANSYS 13 Nehalem 5570� ANSYS 14 Westmere 5670� ANSYS 14 E5 2690� ANSYS 14.5 E5 2690

� R140 � R145


ir als Berechnungsingenieure wollen die not-wendige Hard ware und installierte Softwaremöglichst effizient nutzen können, uns abernicht um eventuell auftretende Systemprobleme

kümmern müssen“, formuliert Harald Wels, AbteilungsleiterTechn. Berechnung, Forschung & Entwicklung bei Krones, einewichtige Prämisse innerhalb der Produktentwicklung. Deshalbist es ihm wichtig, möglichst nur einen Ansprechpartner für dasgesamte System zu haben, damit bei auftretenden Problemenkeine Interpretationsspielräume für Zuständigkeiten entstehen.Um diesem Ziel näher zu kommen, wurde für die Berechnungs-abteilung von Krones im letzten Jahr ein neues Hardware-

Konzept mit HP-Blade-Workstations realisiert. Mit der alten Kon-stellation – Workstations am Arbeitsplatz und einem Berech-nungs-Cluster im Rechenzentrum – waren die Simulationsspe-zialisten von Krones nicht mehr in der Lage, alle großen Modelle(10 Mio. Knoten und mehr) zu berechnen. Das Firmennetzwerkwurde durch die stetig zunehmende Datenmenge stark belastet,so dass die erforderlichen Berechnungen nicht immer in der ge-wünschten Geschwindigkeit durchgeführt beziehungsweise dieErgebnisdateien nicht schnell genug bereitgestellt werdenkonnten.

„Da sowohl die diversen Workstations als auch das Clusterin die Jahre gekommen war, suchten wir nach einer neuen

W

CADFEM übernimmt IT-Betreuung für HP-CAE-Cluster bei Krones

Unter dem Slogan „Partner fürsLeben“ präsentiert der Getränke-anlagenspezialist Krones AGseinen Kunden ein umfassendesProdukt- und Dienstleistungs-angebot, das bis zur Komplett-betreuung der Anlagen reicht. Mit der Überzeugung, dass diesesKonzept der Rundum-Betreuungdurch einen zuverlässigen und leis-tungsfähigen Partner vielfältigeVorteile bietet, nutzt Krones diesesKonzept auch als Kunde: zum Beispiel beim Einsatz von Simu-lationssoftware durch eine um-fassende Unterstützung vonCADFEM.

Partnerfürs Leben


Lösung, mit der die Datenübertragung beschleunigt und die Be-rechnungszeiten verkürzt werden konnten“, berichtet HaraldWels. „Aufgrund der langjährigen und intensiven Geschäftsbe-ziehungen zu CADFEM informierten wir uns dort über aktuelleHardware-Plattformen, zunächst auf dem Users’ Meeting vonCADFEM, anschließend detailliert bei einem Besuch in der Gra-finger Firmenzentrale. Letztendlich entschieden haben wir unsdann für HP-Blade-Workstations, die gemeinsam mit demneuen HP-HPC-Cluster in unserem Rechenzentrum installiertwurden.“

Ein Partner mit viel Erfahrung

Da die Blades für die Berechnungsabteilung Neuland waren,fühlten sich die Verantwortlichen von Krones bei CADFEM gutaufgehoben. Denn CADFEM beschränkt sich nicht auf denVerkauf der Blade-Workstations, sondern setzt sie selbst für Si-mulationsaufgaben ein und hat folglich umfassende praktischeErfahrungen gesammelt. Seit Mitte 2012 stehen jetzt zehn HP-Blade-Workstations direkt neben den Berechnungs-Servern vonHP, so dass am Arbeitsplatz des Ingenieurs nur noch die Bild-schirmdarstellung der Modelle und Ergebnisse realisiert werdenmuss.

Die Vorteile sind für Harald Wels und seine Mitarbeiter ein-deutig: „Am wichtigsten für uns ist, dass der Datentransfer mit der Blade-Konfiguration signifikant beschleunigt werdenkonnte. Außerdem sind die bisher unterschiedlichen Work-station-Modelle standardisiert worden, so dass alle Berech-

nungsingenieure die gleiche Blade-Workstation haben und aufallen die gleiche Software-Konfiguration vorhanden ist. Dadurchsind die Workstations sehr flexibel nutzbar und einfach zu ver-walten, wobei der ANSYS Software- und der Hardware-Supportvon CADFEM übernommen werden. Das war auch der Wunschder IT-Abteilung bei Krones, da bei CADFEM viel Know-how vorhanden ist und zum Unternehmen auch das notwendigeVertrauensverhältnis besteht.“ Die leistungsfähigere Hardware-Plattform führt zu mehr Durchsatz, mehr berechneten Varianten,mehr Untersuchungen von grundsätzlichen Fragestellungen im Vorfeld einer Konstruktion sowie zu mehr detaillierten Simu-lationen von kritischen Bauteilen beziehungsweise Konstrukti-onsentwürfen. Besonders hervorgehoben wird die effiziente Zu-sammenarbeit der Spezialisten von CADFEM mit den diversenMitarbeitern für die IT-Betreuung bei Krones. Aufgrund derguten Vorbereitung und der umfassenden Kommunikation mitallen beteiligten IT-Fachleuten konnte die Hardware-Installationund -Inbetriebnahme innerhalb von nur zwei Tagen abge-schlossen werden.

Zur Betreuung des Gesamtsystems wurde mit CADFEM einentsprechender Supportvertrag abgeschlossen. Er beinhaltetunter anderem die Qualifizierung eines Support-Calls innerhalbvon vier Stunden, den Vorort-Service am nächsten Arbeitstagbei systemkritischen Hardware-Komponenten und innerhalbvon drei Arbeitstagen bei weniger kritischen Komponenten wieden Blade-Workstations. Außerdem kann CADFEM über einenRemote-Zugang das System aus der Ferne betreuen und über-wachen. „Für uns ist diese neue Art der Betreuung durch

Bild 1: Auf Basis der CAD-Daten wird das Simulationsmodell des Füllers definiert.

CADFEM übernimmt IT-Betreuung für HP-CAE-Cluster bei Krones

Bild 2: Strukturmechanische Berechnungen bilden eineGrundlage zur Auslegung und Optimierung des Füllers.

Bilder: K

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s, shu

tterstock.com/STILLFX


CADFEM eine hervorragende Möglichkeit, uns auf unsere ei-gentlichen Entwicklungsaufgaben zu konzentrieren“, erläutertHarald Wels. „Früher war der Aufwand für den Betrieb desSystems erheblich. Durch die Auslagerung der Betreuung in er-fahrene Hände bleibt uns mehr Zeit für das Wesentliche“. Ins-gesamt betrachtet ist eine moderne leistungsfähige Hardwareeine wichtige Grundlage für effiziente Berechnungen. Deshalbwird von den Verantwortlichen bei Krones auch ständig die Ent-wicklung des Cloud-Angebotes beobachtet. „Um Spitzen be-züglich der Software-Lizenznutzung abzudecken, nutzen wirschon seit längerem das Internet-basierende On-Demand-An-gebot eCADFEM. Grundvoraussetzung dafür ist natürlich immerdie Gewährleistung der Sicherheit der Daten“, betont HaraldWels.

Hohe Flexibilität ist gefordert

Insgesamt ist bei Krones eine hohe Flexibilität erforderlich, umauf aktuelle Anforderungen schnell reagieren zu können. Da vielSondermaschinenbau realisiert wird, kann nicht immer so lang-fristig geplant werden wie in der Serienfertigung. Deshalbbetont Harald Wels: „Wir sind immer öfter gefordert, die ge-wünschten Berechnungsergebnisse noch schneller bereitzu-stellen, da die Einhaltung der Liefertermine zum Kunden bei unshöchste Priorität hat. Folglich werden wir den Einsatz vonSoftware und Hardware von CADFEM kontinuierlich weiter aus-bauen. Beispielsweise wäre ein Teil der Neuentwicklungen vonKrones ohne den Simulationseinsatz nicht in dem Umfang be-ziehungsweise in der oftmals sehr begrenzten Zeit möglich ge-wesen.“

In dem Zusammenhang ist CADFEM für Krones ein Partner,mit dem aktuelle und zukünftige Anforderungen diskutiert undanstehende Probleme schnell gelöst werden, damit die Berech-nungsingenieure bei Krones die Möglichkeiten der Simulations-software noch effizienter nutzen können. „Wir haben CADFEMimmer in einer sehr guten partnerschaftlichen Zusammenarbeiterlebt, die nicht nur auf kaufmännische Gesichtspunkte fixiertwar“, formuliert Harald Wels zusammenfassend. „Aufgrund dersachorientierten Kommunikationsbasis waren wir immer gut be-raten und haben sowohl fachlich als auch menschlich viele po-sitive Erfahrungen mit den CADFEM Mitarbeitern gesammelt.Wir fühlen uns bei CADFEM sehr gut aufgehoben.“

Gerhard Friederici

„Durch die Auslagerung der Hardware-Betreuung in erfahreneHände bleibt uns mehr Zeit für das Wesentliche.”Harald Wels von der Krones AG

Bild 3: Mit einer robusten Mechanik kann eine schnelleAbfüllung in einem hygienischen Umfeld erfolgen.


High Performance Computing bei CADFEM

Im Consulting-Bereich der CADFEMGmbH werden nahezu alle zu ANSYSgehörenden Software-Produkte imRahmen von Kundenprojekten einge-setzt. Um einerseits jedem Mitarbeiterdie bestmögliche IT-Infrastruktur zurVerfügung zu stellen, andererseits die vorhandene Hardware aber auchsinnvoll auszulasten, wird seit einigenJahren die Rechenkapazität beiCADFEM schrittweise zentralisiert.Gleichzeitig lässt sich dadurch diebisher schwer zu überblickendeHardware-Landschaft bezüglich derWartungsarbeiten erheblich verein-fachen.

200 Kerne 2 TB Speicher 30 Anwender

er erste Schritt in Richtung Zentralisierung war es, diebisherige Hardware jedes einzelnen Mitarbeiters, dieer an seinem Arbeitsplatz hatte, durch neue Hardwarezu ersetzen, die zentral im Serverraum platziert bzw.

installiert wurde. Auf den sogenannten „Blade-Servern“ von HPwerden vom Arbeitsplatz des Mitarbeiters aus mit einer rein gra-fischen Verbindung hauptsächlich Pre- und Postprocessing durch-geführt und höchstens kleine Berechnungsaufgaben. Da dasLösen der Gleichungssysteme sehr viel Rechnerleistung erfordert,ist ein paralleles Arbeiten mit zufriedenstellender Geschwindigkeitnicht möglich. Folglich wird die Berechnung selbst auf einen se-paraten, zentralen HP-Compute-Server ausgelagert.

In kleinen Teams wäre es zwar möglich, durch mündliche Absprachen die Auslastung eines solchen zentralen Servers zuverwalten. In größeren, über mehrere Standorte verteiltenGruppen, die mehrere Compute-Server nutzen wollen, wäre dasaber sehr aufwändig.

Cluster mit elf HP-Servern

Daraus entsteht der Bedarf für eine IT-Infrastruktur, die es denAnwendern unterschiedlicher Software-Produkte einfach ge-stattet, ihre Berechnungsaufgaben dem zentralen Rechen-Cluster zu übergeben. Ein Cluster ist eine relativ komplexe

DBilder: H

P, CADFEM, shu

tterstock.com/M

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Einheit aus diversen Hardware- und Software-Komponenten. Für deren Verwaltung wäre es na-türlich günstig, wenn alle Server mit gleicherHardware und Software ausgestattet wären, was abergrundsätzlich nicht der Fall sein muss. Denkbar ist zumBeispiel, daß ein Teil der Compute-Server eher für Strömungs-berechnungen gedacht ist. Das würde bedeuten, dass möglichstviele Prozessorkerne in einem Compute-Server verbaut seinsollten. Strukturmechanische oder thermische Analysen benö-tigen dagegen eher viel Arbeitsspeicher (RAM) und nicht unbe-dingt so viele Prozessorkerne. Das bei CADFEM eingesetzteCluster besteht aus elf baugleichen Servern von HP mitWindows als Betriebssystem. Mehrere Server können mittelsMessage Passing Interface (MPI) und entsprechendem Inter-connect (Infiniband) kommunizieren und dadurch eine Be-rechnung mit maximal 120 Prozessorkernen gemeinsam durch-führen.

Wäre ANSYS Mechanical das einzige eingesetzte Software-Produkt, könnte mit dem ANSYS Remote Solve Manager (RSM)ein relativ einfacher Weg beschritten werden. Dieser hält dieKommunikation und Datenverbindung zum Compute-Serveraufrecht und unterstützt eine einfache Art der Warteschlangen-verwaltung. Allerdings lassen sich mit ANSYS RSM keine wei-teren Software-Produkte verwalten.

Außerdem bietet er bislang keine Mög-lichkeit, mehrere ANSYS Versionen übereine gemeinsame Benutzeroberfläche zu

verwalten. Daher mußte ein Software-Produkt gesucht und implementiert werden,

das folgende Funktionalitäten bieten soll:

� Unterstützung verschiedener Software-Produkte (ANSYS,CFX, Maxwell) und Programmversionen (13, 14, 14.5),

� einfache Handhabung,� intelligente Warteschlangenverwaltung,� dynamische Cluster-Verwaltung,� erweiterbar hinsichtlich zusätzlicher Software-Produkte undVersionen.

Die Wahl fiel auf das bekannte und im kommerziellen und aka-demischen Umfeld vielfach eingesetzte Software-Produkt IBMPlatform LSF (Load Sharing Facility). Bereits seit einigen Ver-sionen beinhalten die ANSYS Produkte Skripte und Routinen,die auf ANSYS RSM aufbauen und die Anbindung an einen mitIBM Platform LSF verwalteten Cluster ermöglichen. Dazu sindnatürlich einige firmen- und clusterspezifische Anpassungen inden Skripten und Routinen erforderlich, wobei diese mit Hilfevon IBM relativ schnell umgesetzt werden konnten.


Bequeme Handhabung ohne Einarbeitung

Mit diesen Einstellungen können Berechnungsaufgaben direktaus der Simulationsumgebung der ANSYS Workbench herausgestartet werden, ohne dass der Anwender direkt mit IBMPlatform LSF in Kontakt kommt. Die erforderlichen Einstel-lungen – welche Warteschlange, wie viele Prozessorkerne, obSMP (Shared Memory Parallel) oder DMP (Distributed MemoryParallel) verwendet werden soll – werden bequem in den Lö-sungseinstellungen der Workbench vorgenommen. Dies er-fordert für den Mitarbeiter praktisch keinen Einarbeitungs-aufwand.

Nach Abschluss der Berechnung kann das Herunterladen undImportieren der Ergebnisse bequem aus der Simulationsum-gebung heraus gestartet werden, wie es auch bei einer lokal imHintergrund ablaufenden Berechnung der Fall ist. Für weitereeingesetzte Software-Produkte wie ANSYS CFX, ANSYSMaxwell und LS-DYNA erfolgt das Einstellen einer Berechnungin die Warteschlange mittels eines kurzen Kommandozeilen-aufrufs. In ihm werden die Eingabedatei und die Parameter wieWarteschlange und Anzahl der zu verwenden Prozessorkernefestgelegt.

Optimale Nutzung vorhandener Ressourcen

Für alle Software-Produkte werden beim Start einer Berechnungvon IBM Platform LSF die Einstellungen ausgelesen und nachverfügbaren Ressourcen für die Berechnung gesucht. Berech-nungen, deren Anforderungen aktuell nicht erfüllbar sind,werden einer entsprechenden Warteschlange zugeordnet, wosie auf verfügbare Ressourcen warten. Sobald IBM Platform LSFerkennt, daß entsprechende Ressourcen vorhanden sind, wirddie Berechnung automatisch gestartet, ohne dass der Anwenderaktiv werden muss. Zusätzlich erkennt IBM Platform LSF, wennein Compute-Server beispielsweise nur zu zwei Drittel ausge-lastet ist und ermöglicht dann die Bearbeitung einer vom An-wender als klein eingestuften Berechnung parallel zu einer be-reits laufenden Berechnung. Je nach Größe der einzelnenBerechnungsaufgaben kommt es dabei zwar zu einem gewissenZeitverlust für die einzelne Berechnung, in Summe ist aberdennoch mit einer schnelleren Abarbeitung zu rechnen.

Insgesamt wurden im Jahr 2012 auf dem Cluster vonCADFEM circa 12800 Simulationen durchgeführt – Tendenzstark steigend!

Jochen Häsemeyer

Bild 1: Die IT-Infrastruktur gestattet es den Anwendern unterschiedlicher Software-Produkte, ihre Berechnungsaufgaben dem zentralen Rechen-Cluster einfach zu übergeben.

ComputeNode

ComputeNode

RSM

CFX, LS-Dyna,Maxwell

UserHeadNode

ANSYS

High Performance Computing bei CADFEM

Bild 2: Das bei CADFEM eingesetzte Cluster besteht aus elf baugleichen HP-Servern, so dass eine Berechnung mit maximal 120 Prozessorkernen gemeinsam durchgeführt werden kann.

• Operating System• LSF• ANSYS, CFX, ...• Blade Server• Compute Server• Storage• Interconnect

Capture, compress &encrypt pixels

Network

Client

Unlimiteddistance

Decompress& display

ApplyKeyboard &mouse events

CaptureKeyboard &mouse events

LSF


arbonwerkstoffe weisen einzigartige Materialeigen-schaften auf, beispielsweise eine hohe Strom- undWärmeleitfähigkeit, sehr gute Hitze- und Korrosions-beständigkeit sowie extreme Leichtigkeit bei gleich-

zeitig hoher Festig keit. Die Hochleistungsprodukte der SGLGroup werden aufgrund der Energie- und Rohstoffknappheitzunehmend in industriellen Bereichen nachgefragt. Aber auchim Lebensalltag halten sie verstärkt Einzug und ersetzen tradi-tionelle Werkstoffe.

Aufgrund des sehr breiten Anwendungsportfolios, das aufdem Konzept „Broad Base – Best Solutions“ basiert, werden beider SGL Group sowohl elektrische, thermische, mechanische alsauch strömungsmechanische Produkteigenschaften durch Si-mulationen optimiert und den steigenden Kundenanforde-rungen angepasst.

Schneller zurRealität

C

Die SGL Group ist einer der weltweit führenden Hersteller von Produkten ausCarbon. Das Produktportfolio reicht vonKohlenstoff- und Graphitprodukten bis hinzu Carbonfasern und Verbundwerk stoffen.Zu den Kernkompetenzen der SGL Group gehören ein tiefes Rohstoffverständnis, die Beherrschung der Hochtemperatur-Herstellungsprozesse und langjähriges An wendungs- und Engineering-Know-How,das durch Simulationsanwendungen ergänzt wird.

SGL Group – The Carbon Company


Anwendungsbeispiel Elektrode

Eine beispielhafte Anwendung ist die Festigkeit von Hochleis-tungselektroden aus Graphit, die von der SGL Group mit Durch-messern von bis zu 800 Millimetern gefertigt werden und heuteein Industriestandard sind. Diese Graphitelektroden werden zurErzeugung von Lichtbögen für die Stahlschmelze eingesetzt undmüssen hohen Anforderungen hinsichtlich Beständigkeit undEnergieverbrauch erfüllen.

Um die Leistungsfähigkeit ihrer Elektroden und damit die Pro-duktivität ihrer Kunden zu steigern, setzt die SGL Group aufFEM-Simulationen mit ANSYS. In thermo-mechanisch gekop-pelten Analysen werden die thermischen Spannungen in derElektrode berechnet und zur optimalen Auslastung herange-zogen.

Um Entscheidungen über mögliche Leistungssteigerungenmit hoher Sicherheit treffen zu können, werden die relevantenphysikalischen Effekte in der FEM- und CFD-Simulation genauabgebildet. Dadurch kann auch komplexes Materialverhalten inBezug auf die elektrischen, thermischen und mechanischen Ei-genschaften abgebildet werden. Die Vielzahl der Materialpara-meter, ihre Temperaturabhängigkeit, der große Temperaturbe-reich und die Bauteilabmessungen machen Messungen anrealen Strukturen extrem aufwändig. „Wir sind bei der Simu-lation oftmals mit Inputparametern konfrontiert, deren Mes-sungen unter realen Prozessparametern nur sehr eingeschränkt

möglich ist. Beispielsweise erfordern realitätsnahe Messreihenmit Graphit oder CFC-Bauteilen Temperaturen von über1000°C, was zu erheblichen Einschränkungen führt“, erläutertDr. Raphael Gutser, der als Projektmanager für Modellierung inder zentralen Forschung und Entwicklung der SGL Group inMeitingen bei Augsburg beschäftigt ist.

Kombination von Versuch und Simulation

Die Ermittlung der Materialeigenschaften erfolgt meist durcheine Kombination von Versuch und Simulation. Die Eigen-schaften des Materials werden durch Versuche erfasst unddurch eine syste mati sche, automatische Variation der Material parameter an die Messdaten angenähert, sodass fürnachfolgende Analysen ein abgeglichenes Materialmodell zurVerfügung steht. Der kombinierte Einsatz verschiedener ANSYSSoftware-Pakete zur Optimierung und die FEM/CFD Solver Tech-nologie ermöglichen es, dass sehr viele verschiedene Material-designs mit einer Fülle von variierenden Materialparameterndurch intelligente Versuchsplanung nach der Six-Sigma Me-thodik effizient berechnet werden. Dadurch ist die SGL Groupin der Lage, die verschiedenen Einflussgrößen leichter zu ver-stehen und die speziellen Anforderungen an ein Material unddie besonderen Wünsche der Kunden besser zu erfüllen. „DieZielfunktion für die Berechnung wird uns durch das Expe rimentvorgegeben“, erklärt Dr. Raphael Gutser ergänzend. „Mit der

SGL Group – The Carbon Company

Bild 1: Hochleistungselektrode ausGraphit

Bild 2: Glühende Graphitelektrodennach der Graphitisierung

„Das neue ANSYS Lizenzmodell verschafftuns einen Wettbewerbsvorteil, da wirauf die Wünsche unserer Kunden schnellerund zielgerichteter reagieren können.” Dr. Raphael Gutser von der SGL Group

Bilder: S

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Simulation besteht dann die Möglichkeit, die Zielfunktion aus-zuwerten, wobei mathematische Optimierung und Six-SigmaMethodik uns möglichst schnell zu einem kalibrierten Simulati-onsmodell führen. Als Ergebnis erhalten wir dann die typischenthermischen, mechanischen oder elektrischen Eigenschaften desentsprechenden Bauteils beziehungsweise der verwendetenMaterialien. Auf der Grundlage des kalibrierten Simulationsmo-dells kann anschließend eine effiziente Weiterentwicklung vonBauteilen und Materialien erfolgen.“

Die traditionelle Methode funktionierte nach dem Prinzip„trial and error“. Dabei erfolgte eine manuelle Variation der Pa-rameter, was einen hohen Zeitbedarf für Berechnung und Aus-wertung zur Folge hatte. Heute werden bei der SGL Group in-telligente Automatismen genutzt, mit denen sich das Systemautonom mit mathematischen Routinen dem optimalen Er-gebnis nähert und die erforderlichen Parameter mit minimalemAufwand ermittelt.

Vorteile durch simultane Berechnungen

Noch mehr Effizienz lässt sich durch die simultane Berechnungerzielen, indem beispielsweise 8, 16 oder gar 32 Varianten mitverschiedenen Parametersätzen gleichzeitig berechnet werden.Damit lässt sich nicht nur viel Zeit und Geld sparen, sondern eskönnen auch erheblich mehr Varianten berechnet werden, sodass eine noch bessere Produktgestaltung realisierbar ist und

ein umfassenderes Know-how über die eigenen Produkte erar-beitet werden kann.

„Für einen Entwickler ist es ein großer Unterschied, ob erseine Aufgabenstellung jeden Tag nur durch ein kleines Fensterbetrachten kann, oder ob er in kürzester Zeit den gesamten Pa-rameterraum aufspannen kann und dadurch einen guten Über-blick über das entsprechende Verhalten erhält“, betont Dr. Ra-phael Gutser. „Dann kann der Entwickler sicher sein, dass ersich auf sicherem Grund bewegt.“

Traditionell erfordert die gleichzeitige Analyse von mehrerenDesignvarianten eine entsprechende Zahl von Software- Lizenzen,so dass Parameterstudien oft nicht in dem gewünschten Maßedurchgeführt werden können. „Mit einer einfachen ANSYSLizenz kann eine komplexe Berechnung mehrere Wochen odergar Monate dauern“, berichtet Dr. Raphael Gutser. „ANSYS hatsich dieser Herausforderung gestellt und uns – als einem derersten Anwender – eine im Vergleich zu den Einzellizenzengünstige und gut nutzbare Lizensierungsoption für parame-trische Designs angeboten (siehe Kasten), mit der wir einesolche Berechnung in weniger als einer Woche erledigen. Diesverschafft uns einen Wettbewerbsvorteil, da wir auf dieWünsche unserer Kunden schneller und zielgerichteter rea-gieren können.“

Gerhard Friederici

Dieser Artikel ist in der November-Ausgabe 2012 der Zeitschrift IT&Production (TeDo-Verlag) erschienen.

Bild 3: Temperatur in der Elektroden-spitze bei hoher Strombelastung

Die ANSYS HPC Parametric Pack Lizenzen vervielfältigenANSYS Basis-Lizenzen für Pre-Processing, Vernetzung,Gleichungslösung, Parallelisierung und Post-Processingfür die simultane (gleichzeitige) Berechnung von meh-reren Varianten einer Parameterstudie. Auf diese Weisekann die vorhandene Hardware deutlich besser genutztwerden, um das Ergebnis aller Varianten früher zu erhalten und die richtigen Entscheidungen zu einemfrüheren Zeitpunkt zu treffen.Vergleichbar zu der Skalierung durch Parallelisierung

mit ANSYS HPC Pack Lizenzen bieten die neuen ANSYSHPC Parametric Pack Lizenzen nun die Möglichkeit, eineSkalierung durch simultane Variantenberechnung zu erzielen. Dabei erlaubt eine ANSYS HPC Parametric PackLizenz das simultane Lösen von vier Varianten mit einerANSYS Basis Lizenz (z. b. ANSYS Mechanical). Jedeweitere ANSYS HPC Parametric Pack Lizenz verdoppeltdie Anzahl der Varianten, die gleichzeitig gelöst werdenkönnen. So lassen sich bis zu 64 Design-Varianten mitfünf Parametric Pack Lizenzen berechnen.

HPC Parametric Pack: Parameterstudien beschleunigen


ie in ANSYS Workbench inte grierte Software optiSLang (optiSLang for ANSYS) zur Robust-Design-Op timierung (RDO) ersetzt Vermutungen durchFakten und führt nicht selten zu Aha-Effekten, die

zu weiteren Diskussionen anregen. Damit wird der Weg ge-ebnet, um nach der erfolgreich durchgeführten Simulation dennächsten Schritt zu gehen: Das Design in seinen Zusammen-hängen zu verstehen, damit es gezielt verbessert werden kann.Und das unabhängig davon, in welcher Physikdomäne gear-beitet wird oder ob verschiedene Physikdomänen gekoppelt be-rücksichtigt werden.

Wie lässt sich das konkret realisieren? Kurz gesagt, indemdurch automatisch durchgeführte Variantenstudien mit einemausgeklügelten Verfahren eine Stichprobensammlung (Sam-pling) erfolgt. Deren unterschiedliche Darstellungsmöglichkeitenhelfen dem Ingenieur, dass er seinen Kollegen oder dem Chefdie vermeintlich komplizierten Zusammenhänge anschaulichvermitteln und folgende Fragen beantworten kann:

� Wodurch werden die Produkteigenschaften maßgeblich beeinflusst.

� Welche Parameter spielen eine untergeordnete oder garkeine Rolle?

Produktebesser verstehen„Ich mache mir ständig Gedanken, wie ich mein Produkt unter streuendenBedingungen verbessern kann“. Dabeidient die Simulation als ein nützlichesWerkzeug. Aber reicht sie auch aus,umdas Produktverhalten ausreichend zu verstehen? Ein erfahrener Ingenieur ent-wickelt ein gutes Bauchgefühl für seinProdukt, doch erhält er ein noch besseresGefühl, wenn seine Einschätzung auchmit Zahlen bestätigt wird – sie also belegbar ist.

Sensitivitätsanalyse und Designoptimierung

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� Sind Ausreißer in der Statistik physikalisch oder numerischbedingt?

� Eingabedaten sind nie exakt: Wie groß ist das Risiko, dassdas Produkt in der Realität aufgrund von Streuungen versagen wird?

Das sind keine leichten Fragen, die mit manuell durchgeführtenVariantenstudien wohl kaum zu beantworten wären. Die Ant-worten auf diese Fragen sind aber wichtig, weil sie letzten Endesdem eigentlichen Ziel dienen, nämlich Verbesserungsvorschlägezu entwickeln, die durch eine hohe Prognosegüte abgesichertsind.

Folglich sollte der Einsatz von optiSLang for ANSYS ein fester Bestandteil des Entwicklungsprozesses sein. Die Integration vonoptiSLang in ANSYS zielt darauf ab, ein umfassendes Nutzen-potential zu eröffnen, und zwar:

� eine Bedienung, die so einfach und sicher wie möglich ist,� der komplette Leistungsumfang der Algorithmen von optiSLang, die über viele Jahre entwickelt wurden, muss gewährleistet sein,

� Automatismen beschleunigen die Definition der Randbedin-gungen, Zwangsbedingungen, Ziele und Abläufe,

� gleichzeitig muss Flexibilität für den Nutzer gewährleistetsein, zum Beispiel müssen Automatismen auf Wunsch abänderbar sein,

� zeitlich gesehen soll der Anwender den Schwerpunkt aufdie Interpretation der Ergebnisse legen können.

Viele Berechnungen in kurzer Zeit

Auf diese Weise ist es möglich, eine Vermutung „mal schnellmit einer Statistik zu bestätigen“. Das Berechnen von Varianten(ca. 50 bis 100) zur Erstellung einer glaubwürdigen Statistik wirddadurch begünstigt, dass ANSYS mit Version 14.5 sogenannte„HPC Parametric Pack Lizenzen“ eingeführt hat. Diese könnenüber optiSLang for ANSYS angesprochen werden und verviel-fältigen den bestehenden ANSYS Lizenz Pool. Dadurch könnenbeispielsweise mit einer Mechanical Lizenz, einer HPC PackLizenz (parallelisiertes Rechnen auf 8 Kernen) und drei HPC Pa-rametric Pack Lizenzen gleichzeitig 16 Designs auf insgesamt128 Kernen berechnet werden. Also muss in diesem Fall für 64Berechnungen effektiv nur noch die Zeit von vier Rechenläufenabgewartet werden.

Nach dem Verstehen des Designs folgt im zweiten Schritt das„Verbessern“, und auch das möglichst auf Knopfdruck. Auf-

Bild 1: Automatisch generierte Designs dienen alsGrundlage für die spätere statistische Auswertung.


grund der Charakteristik der Optimierungsaufgabe macht optiSLang Vorschläge für geeignete Algorithmen, die vom Be-nutzer bestätigt werden können. Den Rest erledigt die Software.Hier stehen zwei Wahlmöglichkeiten zur Verfügung:

� erstens eine sekundenschnelle Optimierung „on-the-fly” aufBasis der schon gerechneten Varianten und

� zweitens eine Optimierungsmethode, die weitere Rechen-läufe benötigt, aber dafür sehr viel genauer ist.

Typischerweise folgt nach der Wahl der ersten Option die Be-wertung des Ergebnisses. Besteht dann der Wunsch nach einemnoch besseren Design, wird zusätzlich die zweite Option ge-wählt.

Fundierte Entscheidungsgrundlagen

Die verschiedenen Anforderungen, die ein Produkt erfüllen soll,stehen oftmals in Konflikt zueinander. Deshalb ist es wichtig,diese Konflikte zu visualisieren, um daraus eine Kompromiss-entscheidung ableiten zu können. Außerdem gibt es oft auchnicht nur die eine optimale Lösung, sondern mehrere guteWahlmöglichkeiten sind denkbar. Der Ingenieur muss deswegenbegründen können, wieso bei mehreren potentiell guten Mög-lichkeiten, die eine, von ihm gewählte besonders gut und denanderen vorzuziehen ist.

Bewertung von Streuungen

Ein Kriterium kann zum Beispiel die Streubreite eines Para-meters sein, durch den das Design grenzwertig wird – etwa dieStreubreite einer Spannung aufgrund schwankender Umwelt-bedingungen wie Materialkennwerte, Imperfektionen oderLastangriffswinkel. Der Vorteil könnte somit sein, dass bei dergewählten guten Möglichkeit auch noch die Funktionalität miteiner sehr viel höheren Wahrscheinlichkeit gewährleistetwerden kann, als das bei den anderen Möglichkeiten der Fallwäre. Die Bewertung von Streuungen ist insgesamt einewichtige Information, da die Verantwortlichen in der Pro-duktion dadurch mit Tipps versorgt werden können, in welchenBereichen die Fertigungstoleranzen gelockert beziehungsweisestrikt eingehalten werden sollten. Das spart Geld.

Nun steht also das verbesserte und abgesicherte Produkt fest,jedoch müssen die Produkte flexibel und auf Kundenwunschschnell abänderbar sein. Funktioniert beispielsweise die Kon-taktübertragung in einer Steckverbindung noch, wenn die Di-mensionierung gemäß dem Kundenwunsch angepasst wird?Eine sekundenschnelle Abschätzung kann diesbezüglich mit denin optiSLang for ANSYS erstellten Verhaltensmodellen vollzogenwerden. Das ermöglicht bereits im Gespräch mit dem Kundeneine fundierte Einschätzung und verdeutlicht dem Kundengleichzeitig die eigene Kompetenz auf diesem Gebiet.

Markus Kellermeyer

Bild 2: Die dreidimensionale Antwortfläche verdeutlicht die Sensitivität des Modells. Hier wird eine Prognosegüte (Coefficient of Prognosis – CoP) von 90 % erreicht.

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