Sicherstellen der Produktintegrität für die Lieferkette in der Automobilbranche

White Paper ANSYS Fluent mit PRIMERGY HPC-Cluster: Sicherstellen der Produktintegrität für die Lieferkette in der Automobilbranche Neue, detailreiche Methoden für den Einsatz von Hochleistungs-Computing ermöglichen Herstellern einen tieferen Einblick in das Verhalten von komplexen Systemen, um Teile und Baugruppen herzustellen, die eine effizientere Leistung über einen längeren Lebenszeitraum hinweg bieten. Inhalt Einleitung 2 Die Zukunft von Engineering-Simulationen 2 Herausforderungen innerhalb der Lieferkette 2 Simulation eines vollständig integrierten Fahrzeugsystems 3 Maximierung der parallelen Skalierbarkeit 4 Prozessortypen Leistung vs. Effizienz 4 Optimale Prozessorfrequenz 5 Neue Details Best Practices für Projektsimulations-Workloads 5 Höhere Qualität dank Robust-Design-Optimierung 5 Volle Genauigkeit mit erweiterten transienten Simulationen 6 Abgestimmte HPC-Systemgrößen 6 Wertschöpfung durch HPC 7 Workload-basierte Planung 7 Dynamischer Maßstab 7 Verbesserung der Produktivität und Standardisierung optimaler Methoden 8 Modellierungsfunktionen für eine Auspuffanlage 9 Transiente Simulation 9 Robustes Design 9 Fazit 10 Seite 1 von 10

Einleitung Die Zukunft von Engineering-Simulationen Fahrzeughersteller und ihre Zulieferer waren die Pioniere beim Einsatz von Engineering-Simulationen. Tatsächlich ist das Design von Fahrzeugen heute ohne Simulationstools wie Crashsimulationen, Strukturanalyse und Fluiddynamik undenkbar. Obwohl moderne Simulationen weitgehend in die Gesamtprozesse des Fahrzeugdesigns integriert sind, werden sie in den meisten Designbereichen nur für Stichproben verwendet, d. h. um das Design unter einigen bestimmten Betriebsbedingungen zu prüfen. Infolgedessen werden weite Teile des Betriebsbereichs eines Designs oft gar nicht untersucht, wodurch möglicherweise potenziell verheerende Fehler und wichtige Möglichkeiten zur Leistungsverbesserung übersehen werden. Dank neuester Errungenschaften in der Simulationssoftware und -hardware können Unternehmen der Automobilindustrie und ihre Zulieferer Hochleistungs-Computing (HPC) direkt nutzen. HPC hilft ihnen dabei, den Entwurfsraum eines Produkts weiter zu erkunden und dessen Leistung, Qualität und Zuverlässigkeit zu verbessern ob zur Erfüllung neuer Vorschriften oder Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Herausforderungen innerhalb der Lieferkette Revolutionäre Veränderungen im Fahrzeugdesign verbreiten sich innerhalb der gesamten Lieferkette. Um auf immer strenger werdende Vorschriften und sich ändernde Kundenbedürfnisse reagieren zu können, erwarten Fahrzeughersteller von ihren Lieferanten eine umfassendere Nutzung von Engineering-Simulationen. Es wird davon ausgegangen, dass die Leistung und Zuverlässigkeit des Teils oder der Unterbaugruppe an jedem Punkt in der Lieferkette im Rahmen des integrierten Systems optimiert werden kann. Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine wichtige Voraussetzung für diese Unternehmen, da es ihnen ermöglicht, die Interaktion ihrer Produkte innerhalb des gesamten Systems ohne physische Testumgebung zu untersuchen und den Integratoren weiter unten in der Lieferkette zuverlässige Informationen zum Verhalten dieser Teile unter verschiedenen Betriebsbedingungen bereitzustellen. HPC-Simulationen mit ANSYS Fluent stellen diese Möglichkeit kleineren wie auch großen Unternehmen bereit und ermöglichen das Design einer einzelnen Komponente oder ganzer Baugruppen. Ein Beispiel für eine Unterbaugruppe in einem modernen Fahrzeug ist die Auspuffanlage, die ihre ganz eigenen Herausforderungen mit sich bringt. Durch die Betrachtung der Optionen und Lösungen für Hersteller derartiger Einzelteile lassen sich jedoch Muster und Erkenntnisse für Unternehmen sammeln, die viele andere Bauteile des letztendlichen Fahrzeugs entwickeln. Neue Methoden für ein robustes Design und eine zuverlässige Optimierung bieten bei einer Reihe von Fahrzeugteilen in zunehmendem Maße Vorteile. Diese Studie nutzt ein bestimmtes Modell eines kompletten Auspuff-Subsystems, um zu verdeutlichen, wie diese Methoden angewendet und über aktuelle hochleistungsfähige Computing-Plattformen abgerufen werden können. Die Zugänglichkeit der Methoden wird durch eine Kombination aus vereinfachten Arbeitsumgebungen für Benutzer, vorprogrammierten Methoden und visuellen Tools zur Interaktion mit externen Daten erreicht. Dank dieser Kombination können mehr Benutzer von HPC profitieren, nicht nur die mit dem meisten Fachwissen. Sie bietet Produktivität schon ab der ersten Anmeldung sowie die Fähigkeit, diese Tools regulär in Projektpläne zu integrieren. Herausforderungen in einem typischen Automobil-Subsystem: Design einer Auspuffanlage Projektzeitpläne Als finale Phase im Energiesystem eines Fahrzeugs ist die Auspuffanlage oft tatsächlich die letzte Komponente beim Design von Fahrzeugen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Zeitpläne bereits knapper, und Lieferanten müssen sich an Planänderungen anpassen, die von den vorgelagerten Prozessen diktiert werden. Dieser Umstand lässt dem Unternehmen manchmal wenig Spielraum, um hochwertige, leistungsoptimierte Designs bereitzustellen. Fahrzeuggeometrie Die Fahrzeugform wird festgelegt, bevor die Auspuffanlage vollständig optimiert wurde. Nachträgliche Änderungen am Design des Auspuffsystems haben daher in einen festen externen Rahmen zu passen. Der Entwurf eines effektiven Systems erfordert einen innovativen Ansatz für das virtuelle Design. Vorschriften Immer strenger werdende Vorschriften zu Emissionen und eine Nachfrage der Kunden nach einem sparsameren Kraftstoffverbrauch lassen dem Design der Auspuffanlage eine größere Bedeutung zukommen. Die Entwicklung fortschrittlicher Technologien, wie Katalysatoren, Nachbehandlungsanlagen und immer leiseren Schalldämpfern, ist inzwischen zu einem wesentlichen Teil der Auspuffsystementwicklung geworden. Bild mit freundlicher Genehmigung von ANSYS Inc. Seite 2 von 10

Simulation eines vollständig integrierten Fahrzeugsystems In der Automobilzulieferbranche ist mit einer großen Vielfalt an Modellen für die einzelnen Fahrzeugteile und simulierten Phänomene zu rechnen. Allein in einer Auspuffanlage ist der Detaillierungsgrad extrem komplex: Stark fluktuierende, turbulente Strömung Komplexe chemische Reaktionen in Katalysatoren und Anlagen zur Abgasnachbehandlung Gemischte und mehrphasige Strömung in SCR-Systemen Akustik der Schalldämpfer In einer gemeinsamen Studie haben ANSYS und Fujitsu die besonderen Gegebenheiten von Auspuffsimulations-Workloads untersucht und eine Reihe von HPC-Clustern definiert, die speziell auf diese Zwecke ausgerichtet sind. Die zugrundeliegende Simulation untersuchte das fluktuierende Verhalten der Abgase innerhalb einer typischen Baugruppe mit Krümmer, Rohr und Leitblechen. Die Optimierung erfolgte dann durch die gleichzeitige Anwendung von Variationen für verschiedene Messgrößen: Massenstrom mit seinen Schwankungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors; Geometrie Anpassung des Katalysatoreingangs für einen vollständig homogenen Strom; Katalysatorwiderstand regelt den internen Druckabfall und wirkt sich auf die Stromverteilung aus. Auspuffmodell mit acht Millionen Zellen mit transienter Analyse Modellaufbau Grundlage dieser Studie bildete ein Auspuffmodell eines Fahrzeugs, das die aktuellen Produktionsanforderungen repräsentierte, mit einer Geometrie auf der Basis einer kompletten Baugruppe, vom Krümmer bis zum Schalldämpfer und Ausgang. Netz Typ Sechseck/Polyeder Zellen: 7.636.538 Oberflächen: 43.707.080 Knoten: 33.387.905 Physik Transiente Simulation mit expliziten Zeitschritten für den Startzyklus des Motors. Robustes Design, basierend auf Geometrievariationen. Bilder mit freundlicher Genehmigung von ANSYS Inc. Seite 3 von 10

Die in dieser Studie verwendete Anwendung war ANSYS Fluent 15.0. Das HPC-System war ein Cluster von FUJITSU Server PRIMERGY CX250-Knoten mit je zwei Intel Xeon Prozessoren. Vergleiche mit verschiedenen Prozessortypen mit variierender Frequenz und Anzahl an Kernen und Interconnect wurden durchgeführt. Die Parallelität wurde mit Intel MPI-Bibliotheken umgesetzt. Auswertungssysteme Knotentyp PRIMERGY CX250 PRIMERGY CX250 Prozessoren pro 2 2 Knoten Prozessortyp und Frequenz E5-2690 v2 bei 3,00 GHz E5-2680 v2 bei 2,80 GHz E5-2697 v2 bei 2,70 GHz E5-2695 v2 bei 2,40 GHz E5-2670 v2 bei 2,50 GHz E5-2660 v2 bei 2,20 GHz Kerne pro Prozessor 10 12 Interconnect InfiniBand Gigabit Ethernet InfiniBand Gigabit Ethernet MPI-Bibliotheken Intel Intel Maximierung der parallelen Skalierbarkeit Die parallele Ausführung einer einzelnen Berechnung über mehrere Rechenknoten stellt eines der charakteristischen Merkmale eines HPC-Workloads dar. Ist die Verarbeitungszeit so lang, dass eine Simulation eines bestimmten Projekts nicht innerhalb eines angemessenen Projektrahmens durchgeführt werden kann, ist mehr als ein Knoten erforderlich. Es gibt mehrere Netzwerk-Arten, über welche die Knoten innerhalb eines HPC-Clusters verbunden werden können: Ein Nutzernetzwerk zwischen allen Servern und Rechenknoten; verwendet Gigabit Ethernet Technologie Ein dediziertes Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zur Erhöhung der Anwendungsgeschwindigkeit bei zunehmender Clustergröße; basiert auf InfiniBand-Technologie für niedrige Latenz, hohe Bandbreite für Interprozesskommunikation zwischen den Rechenknoten und gelegentlich für schnelle E/A bei Speichersystemen Ein dediziertes optionales Netzwerk für das Cluster-Management; bei kleinen Konfigurationen können sich diese Aktionen das Benutzernetzwerk teilen ANYSYS Fluent-Messungen des Auspuffmodells haben gezeigt, dass ein InfiniBand Interconnect erforderlich ist, um auch weiterhin die Ablaufzeit zu minimieren, wenn mehr Knoten in einer einzelnen Parallelberechnung verwendet werden. Für dieses Auspuffmodell mit acht Millionen Zellen und einem Sechseck-/Polyedernetz zeigt die ANSYS Fluent-Anwendung eine hohe Effizienz bei bis zu 16 Knoten mit dem 10-Core-Prozessor (insgesamt 320 Kerne). Die parallele Effizienz bleibt voraussichtlich auch bei noch größeren Clustern hoch, wie in anderen Benchmarks mit ANSYS Fluent beobachtet. Im Vergleich ist die Skalierbarkeit deutlich niedriger, wenn nur Gigabit Ethernet verwendet wird. Dies führt zu längeren Ablaufzeiten und einer ineffizienten Lizenznutzung. Die transiente Simulation profitiert besonders von der schnelleren Verbindung. Prozessortypen Leistung vs. Effizienz Bei der Wahl des Prozessortyps gilt es, verschiedene Faktoren sorgfältig gegeneinander abzuwägen. Zunächst kommen dabei die Kerne pro Job zum Tragen, da diese in der Regel durch die Anzahl der Anwendungslizenzen festgelegt sind. Normalerweise ist jede ANSYS Fluent-Berechnung parallelisiert, sodass alle Rechenknoten, die für denselben Job verwendet werden, vollständig durch den Prozess dieser Anwendungsausführung ausgelastet sind. Bei modernen Multi-Core-Prozessoren sind andere Richtlinien umsetzbar, die eine mehr ausgeglichene Belastung der Kerne gestatten. Seite 4 von 10

Betrachtet man verschiedene Anzahlen an Kernen pro Job, liefern 12-Core-Prozessoren tendenziell einen geringfügig geringeren Durchsatz als 10-Core-Prozessoren. Darüber hinaus ist der Basispreis für 12-Core-Prozessoren höher, sodass die Knoten mit den 10-Core Prozessoren im Allgemeinen im Hinblick auf das gesamte Preis-Leistungsverhältnis bevorzugt werden. Eine annehmbare Alternative stellt der E5-2650 v2-prozessor mit acht Kernen und einer Frequenz von 2,60 GHz dar. Kern für Kern liefert dieser Knoten eine ähnliche Leistung wie der 10-Core-Prozessor mit 2,5 GHz. Schließlich werden jedoch mehr Knoten für eine größere Gesamtanzahl von Kernen benötigt. Optimale Prozessorfrequenz Offenkundig führt der schnellere Prozessor die Berechnungen erwartungsgemäß in der kürzesten Ablaufzeit durch, jedoch ist die Frequenz dabei nicht der einzige Faktor. Der Berechnungsalgorithmus einer Anwendung kann ggf. in größerem Umfang von anderen Hardwarekomponenten des Knotens abhängen. In vielen HPC-Fällen ist die Speicherbandbreite das entscheidende Kriterium. Prozessoren mit einer höheren Frequenz sind häufig exponentiell teurer als andere Prozessoren der gleichen Generation. Bei der Untersuchung des Auspuffmodells haben wir die Zeiten bei 2,8-GHz-, 2,5-GHz- und 2,2-GHz-Prozessoren mit dem Intel Xeon-Referenzprozessor E5-2690 v2 bei 3,00 GHz verglichen. Wäre die Frequenz der einzige relevante Faktor, müsste das Verhältnis der Ablaufzeiten dem Taktverhältnis (Umkehrfrequenz) entsprechen. Stattdessen ist das Verhältnis der Ablaufzeiten geringer, was bedeutet, dass der Knoten relativ gesehen schneller als der Referenzprozessor rechnet. Obwohl der Durchsatz geringer ist, sind alle Prozessoren in Relation gesehen effizienter als der 3,0-GHz-Prozessor. Steht jedoch eher die absolute Geschwindigkeit im Vordergrund, wie bei der vollständig akkuraten transienten Analyse, ist der 2,8-GHz- oder 3,0-GHz-Prozessor die bessere Option. Berücksichtigt man zudem die Kosten der Anwendungslizenz, sinken relativ gesehen die Hardwarekosten für CPUs mit einer höheren Frequenz. Neue Details Best Practices für Projektsimulations-Workloads Höhere Qualität dank Robust-Design-Optimierung Die erste Phase eines Simulationsprojekts beinhaltet die Erstellung des anfänglichen Modells. Es werden sowohl Steady-State- als auch transiente Methoden angewendet, damit das Modell den übergeordneten Entwurfszielen entspricht. Das ist jedoch erst der Anfang des Prozesses. Konstrukteure und Ingenieure betrachten dann eine Reihe von Optimierungsphasen. In einer ersten Phase kann ein Ansatz mit statistischer Versuchsplanung (DoE) zum Einsatz kommen, um verschiedene Entwurfsvariablen für den Steady-State automatisch durchzugehen. Diese Phase dient vorrangig dazu, die ideale Balance zwischen den verschiedenen Bedingungen zu finden, wie z. B. Motorgegendruck, Lärm, Emissionsniveau, Materialkosten usw. Danach wird idealerweise anhand einer Robust-Design-Studie die optimale Lösung für die externen Randbedingungen bestimmt. Solche Optimierungsverfahren führen regelmäßig zu einer höheren Anzahl an zusätzlichen Rechenaufträgen für ein bestimmtes Design und können sowohl Steady-State- als auch transiente Bedingungen durchlaufen. In diesem Beispiel führte eine Optimierung des Katalysatorgehäuses zu einer Verbesserung des Druckabfalls im Katalysator um 3,5 % ein enormer Gewinn in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch. Seite 5 von 10

Volle Genauigkeit mit erweiterten transienten Simulationen Transiente Simulationen zeigen detailliert, wie eine Baugruppe unter den kritischsten Fahrbedingungen reagiert. Dies ist bei einer Simulation einer Auspuffanlage besonders wichtig, da der Massenstrom hier im direkten Zusammenhang mit der Motordrehzahl variiert. Die entscheidende Phase für eine vollständige Nachbehandlung der Motorabgase ist während der Erwärmung des Katalysators unmittelbar nach der Zündung. Ein vollständig genaues Ergebnis erfordert daher die Simulation des transienten Strömungsverhaltens über mehrere Minuten nach dem Zünden des Motors. In dieser Studie wurde das folgende Szenario simuliert. Ein Viertaktmotor läuft fünf Minuten lang mit 2.000 Umdrehungen/Minute. Der transiente Zeitschritt ist auf 0,005 Sekunden festgelegt, sodass die Gesamtzahl der auszuführenden Schritte 60.000 beträgt. Das Testmodell war der oben beschriebene Auspuff mit acht Millionen Zellen. Basierend auf der verstrichenen Zeit über 20 Zeitschritte auf einem einzelnen Knoten (E5-2690 v2 bei 3,00 GHz, 10-Core) und unter Verwendung einer asymptotischen Berechnungsrate von 20 Durchgängen pro Zeitschritt nimmt eine vollständig genaue transiente Simulation des Modells mit acht Millionen Zellen bei einem Knoten viele Monate Ablaufzeit in Anspruch. Aus dem gemessenen System können wir schließen, dass diese Zeit bei 16 Knoten weniger als zwei Wochen betragen würde. An diesem Punkt beträgt die parallele Geschwindigkeitseffizienz von Fluent etwa 75 %. Wir möchten die Ablaufzeit jedoch auf eine Woche verkürzen. Bei einer moderaten Effizienz von 60 % schätzen wir eine Ablaufzeit von ca. sieben Tagen bei 32 Knoten. Und das HPC-System kann noch mehr leisten. Es zeichnet sich ab, dass 48 und mehr Knoten die verstrichene Zeit für eine vollständig genaue transiente Simulation noch weiter verringern. Der geringere Kommunikationsaufwand, die abgestimmte Laufzeiteinrichtung und eine hohe parallele Effizienz bei größeren Modellen, wie einer kompletten Auspuffanlage, bedeuten, dass 64 Knoten und mehr die insgesamt verstrichene Zeit für eine vollständige Berechnung effektiv weiter verringern könnten. Abgestimmte HPC-Systemgrößen Verschiedene Projektarten haben unterschiedliche Simulationsanforderungen. Der Entwurf einer Auspufflösung für einen einzelnen Fahrzugtyp erfordert ggf. ein Simulationsprojekt, das nur ein paar Wochen dauert. Zu den Unternehmen mit derartigen Projekten zählen u. a. Engineering-Dienstanbieter und Kfz-Zulieferer der 1. Ebene. Ausgehend von Messungen an unserem Auspuff-Referenzmodell haben wir in der folgenden Tabelle für gängige Produktionsszenarien passende HPC-Cluster-Systeme für einen normalen HPC-Workload definiert. Es wird eine Beschleunigungseffizienz von 80 % vorausgesetzt, um die verschiedenen Jobtypen und die Parallelität zu berücksichtigen. Seite 6 von 10

Design-Workloads für verschiedene Unterbaugruppen Baugruppentyp Komponente (Schalldämpfer) Subsystem (Abgasnachbehandlung) Gesamtes System (Gesamte Auspuffanlage) Gesamte Projektdauer 2 3 4 Modellgröße (Anzahl der Zellen) 5 Millionen 10 Millionen 30 Millionen Phasen der Steady-State-Simulation Effektive Anzahl an Jobs Problem-Setup (Steady-State) 2 5 10 Statistische Versuchsplanung (DoE) (Steady-State) 25 50 100 Optimierung 25 50 100 Robust-Design-Optimierung (RDO) (Steady-State) 25 50 100 Phasen der transienten Simulation Effektive Anzahl an Jobs Problemaufbau (60 Zeitschritte) 5 10 20 Versuchsplanung (60 Zeitschritte) 10 20 30 Transiente Ausführung mit voller Genauigkeit (60.000 Zeitschritte) 1 1 1 Geschätzte Gesamtberechnungszeit mit Parallelität und Auftragsgleichzeitigkeit Verstrichene Stunden bei vier Knoten 539 1.107 3.466 Abgestimmte Clustergröße Anzahl der Rechenknoten 12 20 40 Insgesamt vergangene Stunden 180 221 347 1,1 Wochen 1,3 Wochen 2,1 Wochen Wertschöpfung durch HPC Workload-basierte Planung Die branchenspezifischen Fujitsu PRIMERGY HPC-Cluster Lösungen für die Automobilindustrie basieren auf Produktions-Workloads. Für Unterbaugruppen-Anwendungen in Fahrzeugen mit ANSYS Fluent liefern die PRIMERGY HPC-Cluster-Referenzkonfigurationen: HPC-Cluster-Komponenten, die nach dem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis hinsichtlich des branchenspezifischen Workloads ausgewählt und mit direkten Anwendungsmessungen und echten Modellen aus dem Bereich der Automobilindustrie validiert wurden Integrierte HPC-Architektur, die Hardware, Systemsoftware und betriebsbereite Middleware vereint: niedriges Anschaffungsrisiko und geringerer Vorlaufaufwand Werkseitig installierte Benutzerumgebung für sofortigen Projektstart und schnelle Nutzungsmöglichkeit der Anwendung Mit diesem branchenspezifischen Ansatz wird das Fachwissen vom Systemtuning bis zum Wissen in der Business-Schicht optimal genutzt. Mithilfe von Benchmarking werden echte Modelle aus einer riesigen Auswahl von Systemkombinationen verglichen, mit dem Ziel, die Modelle zu finden, die am besten den Anforderungen der Automobilindustrie entsprechen. Darüber hinaus wird berücksichtigt, wie der Benutzer mehrere Jobs innerhalb eines Gesamtprojekts angeht. Angesichts der großen Anzahl an Systemkombinationen, die heutzutage zur Verfügung stehen (Prozessortyp, Arbeitsspeicher, Frequenz, Interconnect, Speicherplatz), stellt dieser Workload-basierte Ansatz sicher, dass das Baseline-System dem Zweck angemessen ist und von unmittelbar relevantem Fachwissen gestützt wird. Dynamischer Maßstab Anpassungen der Baseline können vor der Installation oder später während des Betriebs bei zunehmendem Workload vorgenommen werden. Der administrative Aufwand des Hinzufügens von Knoten zum Cluster wird minimiert durch die grafische Management-Desktop-Oberfläche, die eine integrierte Ansicht des gesamten Clusters anzeigt. Die eingebaute HPC-Gateway-Schnittstelle mit Anwendungs-Workflows trägt dazu bei, dass Änderungen der Cluster-Dynamik keinen Einfluss auf die unternehmensspezifischen Verfahren haben, wodurch ein kontinuierliches Arbeiten ermöglicht wird und Unterbrechungen minimiert werden. Seite 7 von 10

Verbesserung der Produktivität und Standardisierung optimaler Methoden Die Produktivität wird immer wieder dadurch beeinträchtigt, dass der Nutzer mehr Zeit mit der IT verbringt als mit dem eigentlichen Gestalten und Entwerfen Skripte schreiben und wieder ändern, falsch abgelegte Daten wiederfinden oder Jobs noch einmal durchführen, die während der Initialisierung fehlgeschlagen sind. Diese Probleme lassen sich nicht allein durch eine grafische Oberfläche lösen, denn auch bei dieser muss der Nutzer immer noch Kommandozeilen und Skriptauszüge eingeben. Der echte Mehrwert für den Kunden besteht in der Tatsache, dass das Fachwissen dieser Anwendungs-IT-Schicht vollständig in die HPC-Umgebung eingebettet ist, sodass Konstrukteure und Ingenieure mit einer für ihre Aufgaben relevanten Umgebung arbeiten können. Die FUJITSU Software HPC-Gateway nimmt sich dieser Produktivitätslücke an. HPC-Gateway Industrialisierung von Fachwissen für neue und erfahrene Anwender Anwendung von ANSYS Fluent mit HPC Gateway HPC Gateway stellt ein Werkzeug zur Industrialisierung von Fachwissen in der HPC-Anwendung dar. Es sammelt und nutzt bewährte Methoden, die von vielen verschiedenen Nutzern mit unterschiedlichem Hintergrund miteinander geteilt und genutzt werden können. Dank seiner Web-Schnittstelle kann von jedem Client-Gerät einfacher auf die HPC-Cluster zugegriffen werden. Die Workflow-Technologie dient zur Codierung der optimalen und fortgeschrittenen Methoden zur Ausführung verschiedener standardisierter Anwendungsprozesse. Fujitsu bietet für Automobilzulieferer verschiedene vordefinierte Methoden an, die über das HPC-Gateway verwendet werden können, um Endbenutzern eine vereinfachte Schnittstelle zum Einrichten, Senden und Überwachen des HPC-Clusters zu bieten von einzelnen Aufträgen bis hin zur Optimierung von Multitasking-Gleichzeitigkeit. Vorgefertigte Methoden können auf der Website des Fujitsu HPC-Gateway-Anwendungskatalogs heruntergeladen und selbst in das lokale HPC-Gateway importiert werden. HPC Gateway bietet darüber hinaus noch viele weitere Vorteile für den einzelnen Anwender und für Teams. Die Nachverfolgbarkeit wird durch eine Auftragsprofiltabelle verbessert, in der die Eingabeeinstellungen für jede Ausführung gespeichert werden. Die dynamische Überwachung gestattet dem Benutzer die grafische Darstellung des Anwendungsfortschritts in Bezug auf wichtige Simulationsmessgrößen. Die intuitive webbasierte Schnittstelle vereinfacht die Verwendung und bietet damit einen breiteren Zugang zur Leistungsfähigkeit von HPC, wobei zuverlässige Expertenmethoden genutzt werden. Mit der FUJITSU Software HPC Cluster Suite Advanced Edition können Benutzer ihre eigenen Workflows entwickeln, um die HPC-Prozesse, welche die einzigartige Kompetenz ihres Unternehmens ausmachen, zu codieren und zu automatisieren. Diese automatisierten Workflows können andere Schritte rund um den Solver verbinden, wie z. B. die Eingabevorbereitung, Ausgangsfilterung, Berichterstellung und Datenarchivierung, und repräsentieren Best Practices oder Expertenmethoden zur Steigerung der Produktivität und Verbreitung der Nutzung von HPC. Seite 8 von 10

Modellierungsfunktionen für eine Auspuffanlage Transiente Simulation Vollständig transiente Simulationen einer Abgasanlage können drei Zwecken dienen: Überprüfen, ob für das Design der Komponenten zur Strömungsoptimierung ein gemittelter Steady-State-Ansatz umsetzbar ist. Dies erfordert die Simulation einiger Motorzyklen, um stabile zyklische Bedingungen für die Anfangsbedingungen zu erreichen. In diesem Beispiel wurden drei Zyklen des Motors ausgewählt, um Rückschlüsse auf die erforderliche Simulationszeit zu ziehen. Durchführen von Aufwärmsimulationen in Bezug auf den Katalysator. Da der während der Aufwärmphase abgedeckte Temperaturbereich beträchtlich ist, treten starke Veränderungen in der Gasdichte (und anderen Materialeigenschaften) auf, die nicht vernachlässigt werden dürfen, um genaue Ergebnisse zu erzielen. In diesem Szenario wurde davon ausgegangen, dass fünf Minuten Echtzeit ausreichen, um die kritische Phase abzudecken. Simulation von Aeroakustik, einem von Natur aus transienten Prozess, bei dem Druckschwankungen Geräusche erzeugen. Die Aufwärmsimulation ist in Bezug auf die abzudeckende Echtzeit die größte Herausforderung, sodass bei den Werten in diesem Fall davon ausgegangen wird, dass eine vollständige Auflösung des Motorzyklus erforderlich ist. Dies ist möglicherweise nicht zwingend, gibt aber in Bezug auf die numerischen Herausforderungen die Obergrenze der abzudeckenden Simulationsbereiche an. Automatisierte Designoptimierung mit ANSYS DesignXplorer Maximieren der KAT-Auslastung Neben anderen Designaspekten ist der Katalysatorzustrom in Bezug auf den Grad der Katalysatorauslastung für die Katalysatorleistung entscheidend. Eine sehr gleichmäßige Auslastung ist für den Verschleiß des katalytischen Materials und die Katalysatoreffizienz am besten. Wie zu sehen ist, führen Veränderungen in der Form des Eingangskanals (im Beispiel Erhebungen von oben oder unten) zu unterschiedlichen Strömungsmustern im Zustrom und nachfolgend zu einer anderen volumetrischen Nutzung im ersten Teil des Katalysators. Robustes Design Die Designprüfung mit ANSYS DesignXplorer bietet Ingenieuren die Möglichkeit, eine zuverlässige Designanalyse der Komponenten oder des gesamten Systems durchzuführen, um sicherzustellen, dass das Design für eine angemessene Auswahl an Belastungsszenarien geeignet ist. Alternativ kann mit diesem Tool eine automatische Optimierung der Komponenten oder des gesamten Systems durchgeführt werden, indem dem geometrischen Design der Komponenten Parameter hinzugefügt und die Zielfunktionen definiert werden, um die Leistung der geänderten Konfiguration zu bewerten. Im Idealfall liefert eine robuste Designanalyse dem Techniker bei der Kombination dieser beiden Ansätze zudem wertvolle Informationen über die Flexibilität des Designs im Hinblick auf bei der Produktion zu berücksichtigende Aspekte. Während kritische Änderungen gewissenhaft überwacht und geprüft werden müssen, können weniger kritische Änderungen, die Fertigungs- oder Kostenvorteile bieten, zur Erreichung von geschäftlichen Vorteilen umgesetzt werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. In einer Branche wie der Automobilindustrie, in der entworfene Teile meist in hohen Stückzahlen gefertigt werden, können die Kostenvorteile dieser Prüfungen schnell die Kosten für die erforderlichen Rechenressourcen aufwiegen. Seite 9 von 10

Fazit Ein Workload-basierter Ansatz für das Systemdesign zeigt deutlich die Vorteile des High Performance Computing (HPC) für automobile Systeme und Komponenten. In dieser gemeinsamen Studie haben ANSYS und Fujitsu einen Satz optimierter integrierter HPC-Cluster mithilfe einer direkten Studie eines realistischen Beispiel für eine Automobilsystem (der Auspuffanlage mit allen Hauptkomponenten) entwickelt, um sowohl HPC-Anfänger als auch routinierte HPC-Benutzer zu unterstützen. Dieser umfassende Bericht zeigt, dass es heutzutage möglich ist, eine ausführliche Untersuchung automobiler Subsysteme (einschließlich Robust-Design-Optimierung für Steady-State- und transiente Fälle) innerhalb eines Zeitrahmens durchzuführen, der mit der Dauer des Projekts vereinbar ist. Eine Kapazitätserweiterung zur Bewältigung instationärer Simulationen liefert präzisere Informationen zum transienten Strömungsverhalten. Dies ist bei der Untersuchung der Wärmeübertragung und des akustischen Verhaltens der Auspuffanlage entscheidend. Für Unternehmen, die bereits mit HPC vertraut sind, erleichtern die hier gezeigten Systeme die Auswahl der Baseline-Komponenten. Und dank der Workflow-Automatisierung über das HPC-Gateway können diese Unternehmen ihre bewährten Methoden und Best-Practices kodifizieren und deren Verfügbarkeit auf mehr Teams und Projekte erweitern. Unternehmen, die noch wenig oder keine Erfahrung mit HPC haben und möglicherweise an der Erhöhung der Modellauflösung interessiert sind oder die Option des Robust-Designs hinzufügen möchten, profitieren von der Validierung der Anwendungseffizienz und der vorinstallierten Systemumgebung. Aber noch entscheidender ist die Tatsache, dass dank der integrierten HPC Gateway-Web-Umgebung die Eintrittsschwelle für den Einsatz von HPC gesenkt wird. Vorbereitete Anwendungsworkflows können in die lokale HPC Gateway-Installation importiert werden. Dadurch kann der Endnutzer standardisierte Methoden starten und beobachten. Dies senkt das Risiko und ermöglicht produktives Arbeiten vom ersten Anmelden an. Kontakt FUJITSU Fujitsu Technology Solutions GmbH Mies-van-der-Rohe-Straße 8, 80807 München, Deutschland Telefon: +49 1805 372-900* E-Mail: cic@ts.fujitsu.com Website: http://de.fujitsu.com 2014-05-27 CE & WEMEIA * (Pro Anruf 14 Cent/Min.; die Preise für Anrufe aus dem Mobilfunknetz sind auf 42 Cent/Min. festgelegt worden) Seite 10 von 10 2014 Fujitsu Technology Solutions GmbH Fujitsu und das Fujitsu Logo sind Handelsnamen und/oder eingetragene Warenzeichen von Fujitsu Ltd. in Japan und anderen Ländern. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere gewerbliche Schutzrechte. Änderung von technischen Daten, sowie Lieferbarkeit vorbehalten. Haftung oder Garantie für Vollständigkeit, Aktualität und Richtigkeit der angegebenen Daten und Abbildungen ausgeschlossen. Wiedergegebene Bezeichnungen können Marken und/oder Urheberrechte sein, deren Benutzung durch Dritte für eigene Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. ANSYS and any and all ANSYS, Inc. brand, product, service and feature names, logos and slogans are registered trademarks or trademarks of ANSYS, Inc. or its subsidiaries in the United States or other countries.