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Multiphysics

Coupling Environment

The »MpCCI CouplingEnvironment« has been developed at Fraunhofer SCAI in order to provide an application independent interface for the coupling of different simulation codes. MpCCI CouplingEnvironment has been accepted as a »de facto« neutral standard for simulation code coupling.

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MpCCI_FSIMapper_NVH

Aerodynamic Loads in a Full-Vehicle NVH Analysis

Many vibration and acoustic effects in full vehicles are caused by fluctuating aerodynamic loads. Related tasks in automotive development are
• analysis of underbody paneling and attachment to body,
• analysis of engine hood flatter,
• interior acoustic analysis with external aero-acoustic loads.
In order to perform realistic noise vibration harshness (NVH) analysis, the exciting aerodynamic forces have to be taken into account.

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MpCCI_FSIMapper_EMAG_Vibrations

Simulation of ­Electro-Magnetic Induced Vibrations

The rotating electro-magnetic field in electric motors produces periodic forces which excite vibrations of the structure and generate noise in the surroundings. On the one hand the ­electro-magnetic forces are computed in an EM-code. On the ­other hand the vibrations are computed in ­Computational Structural Dynamics (CSD) codes.

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MpCCI_FSIMapper_Flow_Vibrations

Simulation of Flow-Induced Vibrations in Turbomachinery

Due to the interaction between rotating and stationary turbomachinery ­components, the transient fluid flow is characterized by periodic pressure ­fluctuations. Those ­oscillations excite ­vibrations of the blades.

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MpCCI_Mapper

Mapper – Independent Mapping Tool for Integrated Simulation Workflows

Mapper provides advanced and robust methods to map, compare and transfer simulation results and experimental data in integrated simulation workflows. Mapper supports a growing number of native file formats and can be used in a variety of engineering applications. Mapper is a
standard tool in the engineering departments of most German automotive OEMs and has been validated in the VDA / FAT working group »Formed Chassis Parts« for Forming to Crash workflows.

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CFD_Optimization

Optimization Using CFD Simulation Services

When developing technical devices andcomponents one is strongly interested in an efficient functionality of its design, meeting the requirements in a best manner. As numerical simulations have been well established in virtual design and computation times were further reduced, the application of sophisticated optimization algorithms gained lately in importance.

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MpCCI_CouplingEnvironment_Flowmaster

MpCCI Flowmaster Adaptor 1D-3D Simulations

The increasing demand for shorter product development lifecycles and fewer physical tests while maximising quality is challenging organizations to bring together their ‘best-in-class’ simulation tools for each discipline and to enable them to work together in pursuit of virtual prototypes for entire systems.

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High Performance Computing

Simulation and Inversion of Wave Fields

The aim of the project WAVE is to develop a toolbox that provides methods for the simulation and inversion of wave fields on high performance architectures. WAVE is funded by the BMBF (German National Ministry of Education and Research). The project started in March 2016 and ends by July 2019.

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Fast Hardware Independent Software Development

LAMA is a framework for developing hardware-independent, high performance code for heterogeneous computing systems. It facilitates the development of fast and scalable software that can be deployed on nearly every type of system, from embedded devices to highly parallel supercomputers, with a single code base. By using LAMA for their application, software developers benefit from higher productivity in the implementation phase and stay up to date with the latest ­hardware innovations, both leading to shorter time-to-market.

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(Semi-)automatic code optimization and ­parallelization

Fraunhofer SCAI has a longterm working experience in massively parallel computing and the corresponding optimization. The HPC group at Fraunhofer SCAI is developing mechanisms to extract the maximal potential of a given hardware through
(semi-)automatic code transformation and parallelization techniques.

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Schnelle Löser

SAMG-Core: Das Kernstück von SAMG

Löst große lineare Systeme, die in dem Sinne »einfach« gestellt sind, dass sie nur eine (physikalische) Entität ohne weitere Informationen beschreiben. Beispiele sind »Poisson-artige« diskretisierte physikalische Gleichungen, etwa Druck-, Wärmeleitungs- oder Potentialgleichungen – sie sind in der technischen Numerik von zentraler Bedeutung und »die« Domäne von Mehrgitter-Verfahren. 

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SAMG-Constraints: Spezielle Uzawa-Glättungs- und Schur-Komplement-Ansätze zur Behandlung von Nebenbedingungen in linearen Gleichungssystemen.

SAMG-Constraints eignet sich für lineare Systeme, die eine Sattelpunktstruktur oder viele Nebenbedingungen, auch auf verschiedenen Skalen, aufweisen. Klassische iterative Löseransätze funktionieren dann oft nicht: Die Teile des Systems erfordern eine individuelle Behandlung und Skalierungsprobleme können Rundungseffekte verursachen. SAMG-Constraints löst diese Probleme u.a. durch spezielle Glättungsverfahren.

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SAMG-Elasticity: Spezialisierte Erweiterungen, die gezielt auf schwierige lineare Elastizitätsprobleme ausgerichtet sind.

Das Erweiterungsmodul SAMG-Elasticity bietet spezielle Setup-Ansätze, die auf schlecht konditionierte lineare Systeme aus linearen Elastizitätsproblemen abzielen. Klassische, allgemeine AMG-Setup-Ansätze funktionieren in solchen Fällen möglicherweise nicht mehr, während die Ergänzung des Setups um zusätzliche Informationen einen Ausweg bietet. 

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SAMG-MPP: Das Erweiterungsmodul SAMG-MPP unterstützt die effiziente Nutzung einer großen Anzahl parallel ablaufender Prozesse.

Das Erweiterungsmodul SAMG-MPP zielt auf Anwendungen mit einer hohen Anzahl von MPI-Prozessen. In diesen Fällen kann das AMG-Setup so modifiziert werden, dass der Kommunikationsaufwand deutlich reduziert wird. Der Benutzer kann alle Einstellungen anpassen, um eine anwendungsgerechte Balance zwischen numerischer Robustheit und Rechenleistung zu erhalten. 

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SAMG-Reservoir: Erweiterungsmodul für volle, gekoppelte Jacobi-Matrizen aus FIM/AIM-Reservoirsimulationen.

Mit dem Erweiterungsmodul SAMG-Reservoir passt sich SAMG an die Art der Simulation an. Dieses Erweiterungsmodul kann für Black-Oil-Simulationen verwendet werden. Es ist auch für nicht-isotherme Probleme und, kombiniert mit dem Erweiterungsmodul SAMG-Constraints, für gekoppelte geomechanische Anwendungen geeignet.

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SAMG-Modflow für Grundwassersimulationen:
Effizientes lineares Lösungsverfahren als Black-Box

Erweiterung für die direkte Nutzung von SAMG im Solver Package LMG von Modflow.

SAMG-Modflow ist verfügbar für MODFLOW-2000, MODFLOW-2005, MODFLOW-USG und MODFLOW 6. 

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SAMG-ASC: Erweiterungsmodul mit einer autonom agierenden Lösersteuerung, die zu einem Problem passende Lösermethoden und-parameter mit Mitteln des Maschinellen Lernens wählt.

Basierend auf einer jeweils vordefinierten Auswahl an Löserverfahren treffen evolutionäre und Surrogate-Lernverfahren die beste Auswahl für eine Anwendung.

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SAMG-Coupled: Spezielle Funktionen zur Behandlung von Strukturen aus Systemen von PDEs. Dies ermöglicht die Anwendung von SAMG auch in Simulationen mit anspruchsvoller Physik.

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Fast auto-parallel linear solver for huge engineering applications

The original SAMG is a very efficient linear solver library based on algebraic multigrid (AMG), specifically developed for industrial applications. SAMG supports both serial and multi-core computations on single PC, workstations or compute nodes.
The new XSAMG library additionally exploits the parallelism offered by multiple nodes of a compute cluster by distributing linear systems across different nodes (based on MPI). Since this is done automatically, the calling simulation program itself does not have to be prepared for distributed computing.

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Bioinformatik

Knowledge discovery and semantic search in scientific literature

SCAIView is an advanced search engine and addresses questions of interest to general biomedical researchers. Most of the information is given as unstructured text (publications, text fields in databases).

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Optimierung

AutoBarSizer

Die Software AutoBarSizer ermittelt ­optimierte Schnittpläne für den Zuschnitt von Stahlprofilen und anderem Stangen­material (Langgut) in kürzere Teile (Fixmaße). Die generierten Lösungen zeichnen sich durch einen hohen Material­nutzungsgrad (Ausnutzung, Ausbeute) aus, Schnittverluste werden minimiert.

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PackAssistant – Mit PackAssistent spielend packen

Die geobra Brandstätter Stiftung & Co. KG, Hersteller der PLAYMOBIL-Spielfiguren, produziert mit 18 000 verschiedenen Spritzgießwerkzeugen Kunststoffteile für verschiedene Spielwelten, darunter etwa 1000 neue Teile für Produktneuheiten des Jahres 2015. Die Verpackung der Teile muss geplant werden, um Logistikkosten abzuschätzen und zu optimieren.

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AutoPanelSizer

AutoPanelSizer liefert eine Antwort auf die Frage, wie man rechteckige Teile möglichst effizient auf rechteckigen Platten platzieren kann, wenn die verwendete Säge nur vollständige, gerade Schnitte im rechten Winkel auszuführen vermag. Diese Fragestellung ist in der Holz-, aber auch der Glas-, Metall- und Kunststoffindustrie von großer Bedeutung.

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AutoNester-L

AutoNester-L ist ein Softwarepaket zur automatischen Erstellung von Schnittbildern auf Lederhäuten und anderen, qualitätsbehafteten Materialien. Die Software wird bei Herstellern von Polstermöbeln und Lederprodukten zur Steigerung der Produktivität erfolgreich eingesetzt. AutoNester-L kann eine beliebige Menge von Teilen auf optimale Weise und in kurzer Zeit verschachteln und dadurch wesentlich zur Reduzierung des Materialverschnitts beitragen. Verschiedene Randbedingungen können bei der Platzierung der Teile im Schnittbild berücksichtigt werden. Die Materialausnutzungen der von AutoNester-L erstellten Schnittbilder sind konkurrenzfähig zu Ausnutzungen, die von erfahrenen Schnittbildlegern erzielt werden.

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AutoNester-T

AutoNester-T ist ein Softwarepaket zur automatischen Erstellung von Schnittbildern auf textilen Materialien. Die Software wird bei vielen Herstellern von Bekleidung und Polstermöbeln zur Steigerung der Produktivität erfolgreich eingesetzt. AutoNester-T kann eine beliebige Menge von Teilen auf optimale Weise und in kurzer Zeit verschachteln und dadurch wesentlich zur Reduzierung von Materialverschnitt beitragen. Verschiedene Randbedingungen können bei der Platzierung der Teile im Schnittbild berücksichtigt werden. Die Materialausnutzungen der von AutoNester-T erstellten Schnittbilder sind konkurrenzfähig zu Ausnutzungen, die von erfahrenen Schnittbildlegern erzielt werden.

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CuboNester

Die Software CuboNester ordnet quaderförmige oder annähernd quaderförmige Teile optimiert in drei Dimensionen an. Der Algorithmus kann eine Vielzahl verschiedener Teile in einer Anordnung kombinieren.

Die Software gibt es in zwei Varianten: CuboNester-C ist für den Zuschnitt von Materialblöcken vorgesehen und kann unter anderem für Metall, Marmor, Graphit oder Schaumstoff eingesetzt werden. CuboNester-P adressiert das Packen, beispielsweise zerlegter Möbel in Pakete.

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CuboNester-P

CuboNester-P ordnet verschiedene quaderförmige Teile optimiert in Lagen an. Die Software eignet sich besonders dazu, zerlegte Möbel in Pakete zu packen.

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CoilNest minimiert den ­Verschnitt beim Abpressen von Karosserieteilen

Im Projekt CoilNest hat das Fraunhofer-Institut SCAI eine Software zur Kosten- und Verschnittminimierung beim Abpressen von Karosserieteilen entwickelt.
Im Produktionsablauf werden 50 bis 100 Karosserieteile eines Fahrzeugtyps vor dem Tiefziehen aus verschiedenen Coils (Stahlrollen) abgepresst. Durch optimierte Verschachtelung dieser Karosserieteile und Abpressen der verschachtelten Muster von Formplatinen sind gegenüber dem konventionellen Abpressen von Rechteck- oder Parallelogrammplatinen erhebliche Materialeinsparungen möglich. Daraus resultiert das Optimierungsproblem, zu entscheiden, welche Platinen aus demselben Coil gepresst und wie sie dort verschachtelt werden. Dies wird von der Software gelöst.

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Automatisches Cut-Order-­Planning in der textilverarbeitenden Industrie

CutPlanner ist ein Softwarepaket zur automatischen Produktionsplanung (»Cut Order Planning«) in der Textil verarbeitenden Industrie. Ausgehend von einer Kundenbestellung für ein Kleidungsstück in verschiedenen Größen und aus verschiedenen Stoffen erstellt es einen »Cut Plan«, eine Zusammenstellung von Größen auf Schnittbildern, mit minimalen Kosten.
Für jedes dieser Schnittbilder wird die zur Erfüllung der geforderten Bestellmenge notwendige Lagenzahl berechnet.

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Längenoptimierung beim Zuschnitt von Stahlprofilen

Bei der Produktion warmgewalzter Stahlprofile werden zunächst Stahlblöcke unter hohem Energieaufwand auf 1250 °C erhitzt. Daraus werden lange Profile geformt und diese in einem zweistufigen Prozess (vgl. Abb. 3) in kundenspezifische, kurze Profilabschnitte unterteilt.
Die Kunden – z.B. Hersteller von Nutzfahrzeugen,  Landmaschinen oder Gabelstaplern und Bauunternehmen – bestellen ihr individuelles Stahlprofil in unterschiedlichen Längen üblicherweise über mehrere Monate oder Jahre hinweg.
Dabei können die Profile bis zur Größenordnung der kurzfristig erwarteten Abnahmemenge auf Vorrat produziert und gelagert werden.

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PackAssistant – schnelle Behälterplanung für neue KTM-Flitzer

Zum Serienstart des Sportwagens X-Bow stand die KTM-Sportcar Produktions GmbH im Jahr 2008 vor der Herausforderung, in fünf Monaten eine neue Produktionsstätte mit einer Fläche von 5500 m2 zu planen und aufzubauen. Zur Vorbereitung der Fahrzeugproduktion und der Logistikprozesse gehörten auch der Entwurf und die Produktion von Verpackungen für die insgesamt 450 neuen Bauteile des Fahrzeugs.

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Coupling SOA-based applications with HPC resources

Fraunhofer SCAI is an established specialist in HPC and parallel applications. Through benchmarking activities in the last 10 years SCAI became an expert in measuring and optimizing parallel applications (commercial and Open-Source) on Linux and Windows HPC clusters. Besides simple runtime measurements and scale-out studies (with varied node, socket and core allocations), specific attention was paid to potential influences of the cluster’s interconnect type (Gigabit Ethernet vs. QDR Infiniband), different MPI versions (Intel MPI, MVAPICH, Open MPI, MS MPI) and MPI parameters or underlying file systems on the application’s overall performance. Impacts of different compilers (Intel, PGI etc.) and their respective flags have been analysed as well.

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Network Evaluation Technologies

Interactive environment for parameter analysis and optimization

Technical processes and products typically depend on many parameters, e.g. geometrical, material and process parameters. The user would like to adjust these parameters to obtain the best design of the product or the optimal control of the production process.

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Simulation, Analyse und Optimierung von Transportnetzen für Gas, H2, CO2 und Strom

In Zukunft sollen in Deutschland tausende Kilometer neuer Netze entstehen, um verstärkt Strom aus erneuerbaren Energien nutzen zu können. Diese neuen »intelligenten Netze« (Smart Grids) steigern Komplexität, Kosten und Anfälligkeit. Fraunhofer SCAI hat eine Software entwickelt, mit der sich Transportnetze für Gas, Strom und Wasser anhand numerischer Simulationen schon bei der Planung analysieren und optimieren lassen. Das macht den Um- und Ausbau für Netzbetreiber flexibler, spart Energie und Ausgaben und erhöht zudem die Sicherheit der Energieversorgung.

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EnCoMOS – Energieoptimierung in komplexen Produktionsprozessen

Der Energie- und Ressourcenverbrauch macht bei vielen Unternehmen – etwa aus den Bereichen Chemie, Metall oder Pharma – über 60 Prozent der Produktionskosten aus. Effiziente Energienutzung ist daher für solche Unternehmen von besonders großer Bedeutung. Zur Optimierung der Energienutzung wurde von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) die Norm DIN EN ISO 50001 Energiemanagementsysteme (EnMS) erarbeitet. Die praktische Umsetzung eines EnMS ist jedoch aufgrund der Vielzahl abhängiger Steuerparameter in komplexen Produktionsprozessen eine nennenswerte Herausforderung.

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Simulation and optimization of data center energy flows

The reduction of energy consumption and the possible reuse of waste heat become increasingly important issues in the design and operation of large data centers. The increased variability in the energy consumption of HPC data centers is a great challenge for the current center infrastructure, which is mainly driven by the need to save electrical energy. Figure 2 shows the power consumption of the Leibniz Supercomputing Centre of the Bavarian Academy of Sciences and Humanitiesin Garching (LRZ). As can be seen, the overall power consumption varies with the power consumption of the super computer (SuperMUC). The combination of this load variability and the use of new cooling technologies in the data center (chillerless cooling) provides an opportunity to increase the energy efficiency of the data center.

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Virtual Material Design

Computer-aided molecular design

The Virtual Material Design (VMD) Group performs contract research and solves problems for the industry with state-of-the-art computer-aided molecular design (CAMD). Our aim is to support the industry in developing products and processes.

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Multi-CPU accelerated numerical simulation

Recently Fraunhofer SCAI, in conjunction with the Institute for Numerical Simulation (INS) at the University of Bonn have been selected as one of the first CUDATM Research Centers in Germany based on the vision, quality and impact of their work. The research is focused on the development of massively paralleled multi-GPU based software packages for numerical simulation in the natural and engineering sciences. Companies benefit from the transfer of knowledge from basic research to practical applications.

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Numerische datenbasierte Vorhersage

SimCompare

SimCompare ist ein Werkzeug zur Erkennung von Ereignissen – d.h. Abweichungen, wie z.B. Anomalien oder seltsame Variationen von Deformationen –, die in den Ergebnissen ähnlicher Simulationsläufe für die Crashworthiness-Analyse mit Hilfe von Finite-Elemente (FE)-Modellen auftreten. SimCompare bietet einen Vergleich von zwei FE-Simulationsergebnissen auf der Grundlage beliebiger Knoten-/Elementdatenfunktionen, z.B. Verschiebungen, plastische Dehnungen oder Dicken, und Zeitschritt. Die Teile mit den größten Unterschieden werden auf der Grundlage mehrerer Vergleichsmaße und eines geeigneten Schwellenwerts automatisch hervorgehoben.

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ModelCompare

ModelCompare ermöglicht einen schnellen und einfachen Vergleich zweier ähnlich diskretisierter FE-Modelle und analysiert ihre Unterschiede in Geometrie (Mesh), Material-ID und Dicke.

ModelCompare identifiziert die Unterschiede zwischen den beiden Modellen auf der Grundlage der vom Diskretisierungsgitter definierten Geometrie und ist unabhängig von der Teile-ID (PID) oder dem Namen der Teile. Es verwendet spezielle Abbildungstechniken, die zu extrem kurzen Laufzeiten führen.

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FEMMINER – effiziente Datenanalyse in der Produktentwicklung

Numerische Simulationen werden heute in nahezu allen Bereichen der virtuellen Produktentwicklung eingesetzt. Im Automobilbau beispielsweise dienen sie dazu, Eigenschaften neuer Fahrzeuge vorherzusagen. Eine Herausforderung dabei ist es, die sich ergebene Vielzahl großer Datensätze zu analysieren. Fraunhofer SCAI entwickelt neuartige Verfahren und Softwarelösungen, die es ermöglichen, dabei Zusammenhänge in diesen großen numerischen Datenbeständen schnell und mit geringem Aufwand zu identifizieren.

Download FEMMINER [PDF, 786 KB]