Leibniz Universität Hannover zur zentralen Website
Konstruktion und Entwicklung
Energie- und Verfahrenstechnik
Produktionstechnik und Logistik
 
Forschung
Plattform für die interdisziplinäre computergestützte Forschung

Plattform für die interdisziplinäre computergestützte Forschung

Unter dem Dach des Exzellenzclusters PhoenixD – „Photonic, Optic, Engineering – Innovation across Disciplines“ der Leibniz Universität Hannover sind 22 Institute der Fakultäten für Maschinenbau und Mathematik/Physik tätig. Diese wenden nume­rische Simulationsverfahren aus einem oder mehreren Bereichen an und entwickeln Verfahren für neuartige Anwendungen weiter. Hierbei wird sowohl auf kommerzielle Softwareprodukte zurück­gegriffen als auch eigenständige Softwareentwicklung für großskalige Berechnungen im HPC Bereich durchgeführt. Gerade für die letztgenannten Forschungen ist eine Infrastruktur, die massivparalleles Arbeiten zulässt, zum Testen und Entwickeln neuer Algorithmen und Software­komponenten notwendig. Diese werden dann später auf Hochleistungsrechnern wie auf dem Nord­deutscher Verbund für Hoch- und Höchstleitungsrechnen (HLRN) eingesetzt werden.

In den Grundlageninstituten der Physik wird eigene Software im Bereich der optischen Anwendungen und der Lasertechnologie entwickelt. Daneben wird in der angewandten Mathematik Software für mehrskalige Prozesse und den zugehörigen adaptiven Methoden im Rahmen von PhoenixD konzipiert. Dies gilt auch im Maschinenbau für die Institute für Kontinuumsmechanik, Dynamik und Schwingungen und Mechatronische Systeme, die eigene Software im Bereich der Festkörpermechanik und Dynamik kreieren. Entsprechende großskalige Simulationen und Modell­entwicklungen im Bereich der Computational Fluid Dynamics werden derzeit für anwendungsnahe Fragestellungen in der Nachwuchsgruppe „Multiphysik turbulenter Strömungen“ am Institut für Turbo­maschinen und Fluid-Dynamik unter anderem in engster Kooperation mit dem Cluster der TU Braunschweig SE2A abgedeckt.

Daneben sind weitere, stärker anwendungsorientierte Institute im Bereich der Höchstleistungsrechnung tätig. So werden z.B. innerhalb des Sonderforschungsbereichs 871 Aussagen zur Anregung von Turbinen­schaufeln durch hochauflösende Strömungssimulationen mit mehrskaligen Berechnungen zur Mikroriss­bildung verknüpft, um dann Vorhersagen für die Lebensdauer der Bauteile zu erhalten. Entsprechendes gilt auch für die Auslegung von Komponenten im SFB 1153 „Tailored Forming“. Dies erfordert große Rechen­kapazitäten, die sowohl in der Strömungsberechnung als auch bei den mehrskaligen Simulationen auf parallele Rechnerarchitekturen zurückgreifen, wobei bei der mehrskaligen Berechnung zusätzlich die Softwarekomponenten zu entwickeln sind, da hierfür keine effiziente kommerzielle Software zur Verfügung steht.

Neue Aufgabenstellungen werden im Exzellenzcluster PhoenixD im Bereich der additiven Fertigung zu bearbeiten sein. Hierzu werden die Grundlageninstitute der Physik und des Maschinenbaus zusammen mit den Mathematikern prädiktive Simulationsverfahren für die Prozesse der additiven Fertigung entwickeln, die von den anwendungsorientierten Instituten validiert werden müssen. Dies wird in PhoenixD für den Druck optischer Komponenten erfolgen und ist für weitere Anwendungen im Bereich der „Industrie 4.0“ wesentlich. Derartige Simulationen erfordern die Entwicklung einer hochgenauen Analysesoftware, die z.B. die Materialeigenschaften der additiv gefertigten Bauteile vorhersagen kann. Hierzu sind gekoppelte thermo-mechanische Simulationen mit großen Deformationen, Phasenübergängen und Kontakt not­wendig, für die die entsprechende Software entwickelt werden muss. Weitere innovative Gebiete in den Forschungsschwerpunkten sind maschinelles Lernen und die Digitalisierung in ingenieurwissenschaftlichen Kontexten, wo neuronale Netze durch großskalige „High Fidelity“ Simulationen trainiert werden und so die Steuerung von komplexen Produktionsprozessen erlauben, die in PhoenixD entwickelt werden.

Neben der Ausnutzung von Rechnerkapazitäten für die numerische Simulation fallen auch große Daten­mengen im Bereich der Prozesstechnik und -simulation an, aber auch im Bereich der Simulation groß­skaliger Systeme sind die Datenmengen sehr umfangreich, wo dynamische Simulationen mit mehr als 100 Millionen Partikeln zu speichern und auszuwerten sind. Dieses soll lokal am Campus Maschinenbau Garbsen (CMG) erfolgen. Zusätzlich sind in weiteren Bereichen des CMG zukünftig größere Datendichten und -mengen zu erwarten, die aus Produkt-, Messwert- und Benutzerdaten einen sehr großen Ausbaubedarf an Speicher-Kapazitäten erfordern. Dies schließt auch sensible Daten mit ein, die im Auftrag mit Projektpartnern generiert werden und Verschlüsselungsszenarien bei der Datenablage und die Notwendigkeit einer lokalen Datenspeicherung erfordern.

Das Innovationspotential von genauen und effizienten Simulationen und die Auswertung großer Daten­mengen mittels künstlicher Intelligenz ist hoch, da hierdurch neue Wege für die praktische Umsetzung von simulativen Prädiktionen für komplexe Bauteile beschritten werden, die auch einen Transfer in die Industrie leisten.

Die entstehenden Rechenkapazitäten können von weiteren Forschungsverbünden der Forscher der Fakultät für Mathe und Physik sowie der Forscher der Fakultät für Maschinenbau und drüber hinaus in der Leibniz Universität Hannover genutzt werden. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Einbindung der Forschung in die Region und der daraus erwachsende Wissenstransfer im Bereich der Industriepartner und der kleinen und mittleren Optik-Unternehmen Niedersachsens.

Die Komponenten werden über das EFRE Projekt „Plattform für die interdisziplinäre computergestützte Forschung“ (Akronym: PH-CMG-IT2019) finanziert.

Projektnummer: ZW6- 85050947

01. November 2020 | Autor: Niemann, B., et al.