Numerical Simulation Lab

Head: Prof. Dr. Georg Wimmer

Das Labor beschäftigt sich mit der numerischen Simulation und Optimierung von Prozessen in
Natur und Technik. Insbesondere die numerische Berechnung von elektromagnetischen Feldern
ist von Bedeutung bei der Entwicklung von vielen technischen Produkten, wie zum Beispiel Elektromotoren,
Generatoren, Magnetventile, Batterien, Isolatoren. Mathematisch interessante Fragestellungen ergeben
sich hinsichtlich Diskretisierungsverfahren, Genauigkeits- bzw. Fehlerabschätzungen, Konvergenzordnungen,
Parallelisierung der Algorithmen auf Hochleistungsrechnern. Bachelor-, Projekt- und Masterarbeiten
auf diesem Gebiet können vergeben werden.

Rechencluster

Zum Labor gehört ein Rechencluster (CentOS Linux Server Release 7.6) bestehend aus

1 Master - 1x Intel Xeon E5-1620 v3 (3,5GHz, 4 Kerne), 128GB RAM
2 Knoten (insgesamt 48 Kerne) - pro Knoten:
- 2x Intel Xeon E5-2680 v3 (2,5GHz, jede CPU 12 Kerne)
- 256GB RAM
3 Knoten (insgesamt 96 Kerne) - pro Knoten:
- 2x Intel Xeon Gold 5218 (2,3GHz, jede CPU 16 Kerne)
- 384GB RAM

Ein mit vielen Rechnerkomponenten voll bestücktes Rack. — Rechencluster mit einem Master und fünf Knoten.

Prof. Georg Wimmer und ein ITSC-Mitarbeiter vor einem Serverschrank voller Komponenten. — Aufbau des Rechenclusters im Jahr 2016. Links: Prof. Georg Wimmer, Rechts: ITSC-Mitarbeiter.

Für das parallele Rechnen mit Matlab ist Matlab Distributed Computing Server (MDCS) installiert. Auf dem lokalen Rechner wird die Parallel Computing Toolbox benötigt.

Grafík zur Verdeutlichung, wie von einem Client aus die Rechenarbeit auf einem Head Node verwaltet und auf mehrere Worker Nodes verteilt wird. — Matlab Distributed Computing (Quelle: MathWorks).

Diagramm und Tabelle zum Rechenzeitvergleich des sequentiellen und parallelen FEM-Algorithmus (erstellt von S. Volz). — Rechenzeitvergleich des sequentiellen und parallelen FEM-Algorithmus (erstellt von S. Volz).

Differentialformen

Zur Berechnung der elektromagnetischen Feldern wird eine C++-Implementierung verwendet, die auf der Theorie der Differentialformen beruht. Dabei wird berücksichtigt, dass unterschiedliche physikalische Größen verschiedene Stetigkeits-, Ableitungs- und Evaluationseigenschaften besitzen. Beispielsweise ist das elektrische Potential (0-Form) totalstetig, die Ableitung ist der Gradient und die Evaluation erfolgt an einem Punkt.

Formelsammlungsblatt aus: Discrete Differential Forms: A Novel Methodology for Robust Computational Electromagnetics, P. Castillo, J. Koning, R. Rieben, M. Stowell and D. White; Janurary 17, 2003 — Differentialformen zur Beschreibung von physikalischen Größen der Maxwell-Gleichungen.

Im Gegensatz dazu ist die magnetische Flussdichte (2-Form) normalstetig, die Ableitung ist die Divergenz und die Evaluation wird durch ein Flächenintegral realisiert. Weiterhin ist die Ordnung des Diskretisierungsfehlers, der aufgrund der endlichen Feinheit des Gitters entsteht, von Bedeutung.

Grafische Darstellung der Potentialverteilung in einem Plattenkondensator, wobei rot die positive, blau die negative Ladung repräsentiert. Mit zunehmender Entfernung von den Platten.werden die Farben schwächerund gehen gegen grün (Potential Null) — Potentialverteilung in einem Plattenkondensator.

Grafische Darstellung der magnetischen Flussdichte einer stromdurchflossenen Spule durch farbige Magnetfeldlinien, die in der Spule sehr dicht (=rot), ausserhalb der Spule weit voneinander entferrnt (=blau)) liegen. — Magnetische Flussdichte einer stromdurchflossenen Spule.

Grafische Darstellung Diskretisierungsfehler (L2-Norm) in Abhängigkeit der Gitterfeinheit (logarithmisch) in einem Diagramm. Die Ordnung ergibt sich aus der negativen Steigung der Geraden. — Diskretisierungsfehler (L2-Norm) in Abhängigkeit der Gitterfeinheit (logarithmisch). Die Ordnung ergibt sich aus der negativen Steigung der Geraden.

Grafische Darstellung Diskretisierungsfehler (Q-Norm) in Abhängigkeit der Gitterfeinheit (logarithmisch) in einem Diagramm. Die Ordnung ergibt sich aus der negativen Steigung der Geraden. — Diskretisierungsfehler (Q-Norm) in Abhängigkeit der Gitterfeinheit (logarithmisch). Die Ordnung ergibt sich aus der negativen Steigung der Geraden.

Projekte

Projekte wurden durchgeführt mit dem Wehrwissenschaftlichen Institut für Schutztechnologien – ABC-Schutz (WIS), Jiaotong Universität Shanghai, School of Electronic Information and Electrical Engineering.

Fehleruntersuchungen von Finite Elemente Methoden bei adaptiven Gitterstrukturen
Berechnung von RLCG-Parametern, RLCG 参数的计算方法
Entwicklung eines Konzepts zur Qualitätssicherung bei einem 2D-FEM-Löser für Elektrostatik-Probleme

Anwendungen

Beipiele für elektromagnetische Simulationen sind...

Dreidimensionale grafische Darstellung - TEAM13-Problem: Nichlineare magnetostatische Simulation. — TEAM13-Problem: Nichlineare magnetostatische Simulation.

Dreidimensionale grafische Darstellung - TEAM20-Problem: Nichlineare magnetostatische Simulation. — TEAM20-Problem: Nichlineare magnetostatische Simulation.

Grafik Querschnitt durch einen Elektromotor — Motorgeometrie

Grafik Magnetische Flusslinien im Motor. — Magnetische Flusslinien im Motor.

Stromdichteverteilung in Leitern bei harmonischer Anregung mit 10kHz. Von links nach rechts: 3D-Modell, reduziertes 2D-Modell mit Gitter, Matrix-Fill, Stromdichteverteilung. — Stromdichteverteilung in Leitern bei harmonischer Anregung mit 10kHz.
Von links nach rechts: 3D-Modell, reduziertes 2D-Modell mit Gitter, Matrix-Fill, Stromdichteverteilung.

3D-CAD-Construction und -Simulation with Solidworks

Die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt ist seit 2020 offizieller akademischer
Zertifizierungsanbieter verschiedener Solidworks(SWX)-Prüfungen (Solidworks Associate Mechanical Design,
Professional Advanced Sheet Metal, Surfacing, Weldments, Associate Electrical, Simulation und mehr).
Weitere Informationen zu den Solidworks-Prüfungen finden Sie hier: Link1,
Link2,
Link3.

Das in der Regel im Sommer angebotene Allgemeine Wahlfach (AWPF) „3D-CAD-Konstruktion – und Simulation mit Solidworks“ ermöglicht das Bestehen der Prüfung zum Certified SOLIDWORKS Associate in Mechanical Design ACADEMIC VERSION (CSWA).

Die CSWA - Akademische Prüfung wird in den folgenden Sprachen für THWS-Studierende kostenlos angeboten: Englisch, Französisch, Deutsch, Italienisch, Koreanisch, Spanisch, Chinesisch S, Chinesisch T, Japanisch, Brasilianisch und Portugiesisch.

CAD Darstellung Fahrgeschäft — Solidworks Baugruppe (Quelle: SWX 3D Experience World).

CAD Darstellung Kompaktlader mit Palettengabel — Solidworks Baugruppe (Quelle: SWX 3D Experience World).

Blick in einen Konferenzsaal über das Publikum auf eine Leinwand mit Vortragendem und Folie "3D Experience World 2020 - A New Dimension with Experience" — SWX 3D Experience World in Nashville, TN, USA.

Blick in einen Konferenzsaal über das Publikum auf eine Leinwand mit Vortragendem und Grafik "Automatic elimination of recirculation to improve fluid performance" — SWX 3D Experience World in Nashville, TN, USA.