Was ist neu in PERMAS Version 16

Die neue PERMAS Version 16 ist das Ergebnis von etwa 24 Monaten Entwicklungsarbeit. Einen detaillierten Überblick bietet die Software Release Note, die mit der neuen Version verschickt wird.
Um das Pre- und Postprozessing für bestimmte PERMAS-Funktionalitäten entscheidend zu verbessern, wurde in den vergangenen Jahren unter hohem Aufwand mit VisPER (das steht für Visual PERMAS) ein entsprechendes Werkzeug entwickelt. Die vierte reguläre VisPER Version 5 wird zeitgleich mit der PERMAS Version 16 ausgeliefert.

Die Rechenzeiten konnten mit PERMAS Version 16 weiter verkürzt werden:

• PERMAS kann mit einer Option für den direkten I/O gestartet werden. Wenn die PERMAS DMS-Dateien auf SSD-Systemen angelegt werden, dann wird der I/O direkt über den PCI-Bus auf diese Systeme ausgeführt, was vor allem bei Berechnungen, die durch den I/O bestimmt werden, zu einer deutlichen Verkürzung der Rechenzeit führen kann.
• Für die direkte Frequenzganganalyse für gekoppelte Fluid-Struktur-Modelle konnte der Algorithmus nochmals deutlich verbessert werden.
• Eine sehr schneller Löser (SMW-Löser) für modale Frequenzgangberechnungen wurde neu entwickelt.
• Geometrisch nichtlineare Berechnungen wurde sehr stark beschleunigt.

Neues Modul

• Das neue Modul ADS stellt eine Schnittstelle zwischen der Gießsimulation mit ADSTEFAN (ein Produkt der Hitachi Industry & Control Solutions, Ltd., siehe http://www.adstefan.com) und PERMAS zur Verfügung. Die Schnittstelle importiert die Temperaturverteilung aus der Gießsimulation auf der Basis von csv-Daten.

Größere Erweiterungen

• Erweiterungen des Basis-Moduls (Modul MQA):
  • Das Konzept der lokalen Koordinatensysteme wurde erweitert, um eine größere Vielfalt an Koordinatensystemen zu unterstützen.
  • Bei Oberflächendefinitionen über quadratische Elemente kann eine Linearisierung erfolgen, so dass die Seitenmitten-Knoten linear abhängig von den Eckknoten geführt werden. Werden diese Oberflächen in Kontaktdefinitionen verwendet, dann kann auch der Kontaktdruck auf diesen Flächen dargestellt werden. Alle Oberflächendefinitionen können über ein spezielles Exportobjekt ausgegeben und visualisiert werden. Definition und Visualisierung von Oberflächen werden durch VisPER unterstützt.
  • Multilineare kinematische Zwangsbedingungen auf Flächen (durch MPC-Bedingungen) bieten nun eine Projektionsmethode an, bei der die Koordinaten der abhängigen Knoten in die Fläche verschoben werden. Alternativ kann, wie bisher, ein starrer Hebelarm zwischen abhängigen Knoten und Fläche erstellt werden.
  • Für den Export von PERMAS-Ergebnissen wurde ein Binärformat eingeführt, das auf dem vielfach genutzten HDF5-Bibliothek basiert (siehe https://www.hdfgroup.org/HDF5/). Der Haupteffekt dieses Binärformats ist die Zeitersparnis beim Exportieren der Ergebnisse. Außerdem reduziert sich auch die Dateigröße verglichen mit dem bisher über gzip komprimierten Format der .post-Datei.
  • In der vorherigen PERMAS-Version wurde Sampling als neues Verfahren zur Wiederholung einer Berechnung mit unterschiedlichen Werten ausgesuchter Modellparameter eingeführt. Um bei einer größeren Anzahl von Werten mehrerer Parameter die Anzahl von Analysen so klein wie möglich zu halten, steht jetzt eine neue Sampling-Methode (LHC Latin Hypercube Sampling) zur Verfügung.
  • In den bisherigen Versionen von PERMAS wurden Presspassungen über Kontakt modelliert und berechnet, wobei ein negativer Spalt verwendet wurde, um eine Überlappung der Ausgangsteile zu beschreiben. Im Falle, dass ein Öffnen des Spalts während der Belastung für den Berechner nicht von Interesse ist, steht eine neue Beschreibungsmöglichkeit für Presspassungen zur Verfügung. Dabei werden MPC-Bedingungen statt Kontakt verwendet. Beispiele zeigen identische Ergebnisse wie bei der Kontaktanalyse. Diese neue Methode ist linear und kann für Statik und Dynamik verwendet werden. Auch die Teilstrukturtechnik kann damit verwendet werden. Spezifische Ergebnisse erlauben die Überprüfung, Verifikation und Bewertung der Presspassung.
• Erweiterungen der Kontaktanalyse (Module CA/CAX/CAU):
  • Bei einem Kontakt Fläche-zu-Fläche werden mehr Kontakte berücksichtigt als bei einem Kontakt Fläche-zu-Knoten. Mehr Kontakte heißt genaueres Ergebnis und mehr Rechenzeit. Weniger Kontakte muss nicht heißen, dass die Ergebnisse ungenau sind, aber es ist möglich, z.B. bei grob vernetzten Kontaktflächen. Um nun das Beste aus einer Kontaktberechnung herauszuholen und dabei nur moderat mehr Rechenzeit zu investieren, wurde ein wählbarer Automatismus (Option COMPLEMENT) entwickelt, der beim Kontakt Fläche-zu-Fläche die Anzahl der Kontakte so reduziert, dass die Genauigkeit erhalten bleibt.
  • Für jede Kontaktbeschreibung, bei der die Summe der Kontaktkräfte nicht Null ist, existiert eine Wirkungsrichtung (Line of Action) mit dem kleinsten Torsionsmoment aus den wirkenden Normal- und Reibungskräften. Der Punkt auf der Wirkungslinie, der am nächsten zu einem gegebenen Schwerpunkt liegt (z.B. dem Schwerpunkt der Koordinaten der Kontaktknoten), wird als der Druckmittelpunkt (Center of Pressure, COP) bezeichnet. Die Koordinaten des COP sowie die Summe der Kräfte und Momente werden auf Anforderung auf der Ergebnisdatei ausgegeben. Dieses Ergebnis ist für alle Lastschritte einer linearen oder nichtlinearen Kontaktberechnung verfügbar.
  • Eine neue Kontaktspaltfunktion wurde eingeführt, wobei eine gegebene Spaltbreite mit einer benutzerdefinierten Funktion skaliert werden kann. Diese Funktion kann von der Position im Raum und auch von topologischen Gegebenheiten abhängen.

Nichtlineares Beulen einer Composite-Zylinderschale
unter axialer Drucklast und radialer Kraft als Imperfektion.
• Erweiterungen der nichtlinearen Statik (Modul NLS):
  • Die Methode zur Untersuchung des Nachbeulverhaltens wurde durch Änderungen der Solid-Shell-Elemente und eine neue Arclength-Methode verbessert. Zusätzlich kann nach jedem konvergierten Lastschritt der nichtlinearen Analyse eine lineare Beulanalyse durchgeführt werden, um alle Beulmöglichkeiten an diesem Belastungspunkt zu untersuchen.
  • Es besteht nun die Möglichkeit, automatisch von linearen Schalenelementen auf nichtlineare Solid-Schalenelemente zu wechseln abhängig von der gewählten Analyseart.
  • Die Laufzeit für geometrisch nichtlineare Analysen wurde unter anderem durch die Reduktion der erforderlichen automatischen Lastschritte und Iterationen verbessert.
• Erweiterungen der Erweiterten Dynamischen Eigenwertanalyse (Modul DEVX)
  • Ein neuer parallelisierter Löser für komplexe Eigenwerte steht zur Verfügung.
• Erweiterungen der Dynamischen Eigenwertanalyse mit MLDR (Modul MLDR)
  • Schnellere Craig-Bampton-Reduktion für Masse und Dämpfung.
  • Temperaturabhängige Steifigkeiten können berücksichtigt werden.
  • Um nachfolgend das Antwortverhalten berechnen zu können, werden auch verbundene Situationen und statische Verschiebungsformen berücksichtigt. Ebenso können auch statische Verschiebungsformen infolge von Trägheitslasten aus einer quasistatischen Analyse (Inertia Relief) verwendet werden.
• Erweiterungen der Dynamik (Modul DRA)
  • Für Modelle mit vielen Eigenwerten, vielen Anregungsfrequenzen und nur einigen wenigen Dämpfern ist die Berechnung des Frequenzgangs sehr aufwändig. So lange die Dämpfung nicht frequenzabhängig ist (und nur wenige diskrete Dämpfer vorhanden sind), ist eine Diagonalisierung des Systems durch Singulärwertzerlegung auf der Basis einer komplexen Eigenwertanalyse möglich. Dann erfolgt eine explizite Invertierung der erhaltenen Systemmatrix nach der Formulierung von Shermann-Morisson-Woodbury (SMW). Die nachfolgende Berechnung der einzelnen Frequenzpunkte ist dann sehr schnell. Insgesamt ist der neue SMW-Löser viel schneller als der allgemeine Löser für modale Frequenzganganalysen.
• Erweiterungen der Erweiterten Dynamik (Modul DRX)
  • In der modalen Berechnung zufallserregter Schwingungen ist die numerische Stabilität verbessert worden. Auch die Berechnung von Kreuzspektren wurde verbessert.
• Erweiterungen der Fluid-Struktur-Akustik (Modul FS)
  • Die direkte Zeitintegration für das Verhalten von Fluiden alleine im Zeitbereich ist jetzt verfügbar.

Multi-Modale Optimierung einer Zylinderschale.
• Erweiterungen der parametrischen Optimierung (Modul OPT):
  • Aufgrund einer Harmonisierung der vorhandenen Optimierer ist es jetzt möglich Topologie-, Dimensions- und Form-Optimierung in einer Multimodalen Optimierung (MMO) gleichzeitg zu verwenden. Dies wurde erreicht, indem all Optimierungsarten denselben Löser verwenden. Dies erlaubt die Bearbeitung neuer, bisher nicht durchführbarer Aufgabenstellungen.
  • Ein neuer zusätzlicher Adapted Convex Programming-Löser (oder ACP-Löser) wurde der Liste von Optimierungslösern hinzugefügt. Dieser parallelisierte Out-of-Core-Löser wird für große Optimierungsaufgaben, nichtlineares Verhalten und komplexe Herstellrandbedingungen empfohlen.
  • Die Optimierung wurde mit einer allgemeinen Unterbrechungs-und Neustart-Möglichkeit ausgestattet. Dazu kann der Optimierungslauf angehalten werden, wobei die Status-Daten auf einer Datei gespeichert werden. Damit kann die Unterbrechung nach jeder Optimierungsschleife erfolgen. Vor dem Neustart können Optimierungsparameter verändert werden, um das Konvergenzverhalten zu beeinflussen. Der Neustart selbst nutzt dann die gespeicherten Status-Daten, um an der erreichten Stelle weiterzumachen.
  • Die Nutzung externer Programme in Optimierungsschleifen ist nun ebenfalls möglich. Erste Beispiele haben Sicherheitsfaktoren extern berechnet und in einer Freiform-Optimierung als Ziel oder Randbedingung genutzt. Um das zu realisieren, wird ein Script benötigt, welches das externe Programm aufruft und dessen Ergebnis in einem PERMAS-Format bereitstellt.
  • Vor Version 16, eine Entwurfsrandbedingung musste als Ziel ausgewählt werden. Jetzt mit der Version 16 kann eine beliebige Anzahl von Entwurfsrandbedingungen zu Zielen erklärt werden. Dabei wird jeweils der Maximalwert als Ziel verwendet und die anderen Werte als Randbedingung.
  • Für eine Mehrziel-Optimierung kann eine Pareto-Optimierung mit einer geeigneten Sampling-Strategie verwendet werden.
• Erweiterungen der nicht-parametrischen Optimierung (Modul OPT):
  • Ein neuer Löser für Aufgaben mit Optimalitätskriterien und zusätzliche Randbedingungen steht zur Verfügung.
  • Mögliche Ziele oder Randbedingungen sind Gewicht, Spannungen (von Mises-Spannungen, Hauptspannungen), effektive plastische Dehnungen und andere Knotenwerte, die über externe Programme berechnet wurden (siehe oben), wenn diese Werte lokal durch eine Dickenänderung der Teile beeinflussbar sind (z.B. Sicherheitsfaktoren).
  • Zusätzliche Randbedingungen sind Spannungen außerhalb des Design-Gebietes, Verschiebungen oder Nachgiebigkeit (Compliance) als Steifigkeitsbedingung oder jede andere Randbedingung, für die (semi-)analytische Sensitivitäten zur Verfügung stehen.
  • Von besonderer Bedeutung ist der Elementtest als zusätzliche Randbedingung, welche genutzt wird, um ein Abbrechen der Optimierung infolge versagender Elemente zu vermeiden.
  • Im Design-Gebiet werden infolge der Dickenänderung die Knoten verschoben, um eine gleichbleibende Elementqualität zu erreichen (sog. Relaxation).
  • Als neue Herstell-Randbedingung können jetzt auch Auszugsrichtungen eingesetzt werden.
• Erweiterungen der Topologie-Optimierung (Modul TOPO):
  • Die Topologie-Optimierung kann nun verschiedene Materialien im Designgebiet verwenden.
  • Die Topologie-Optimierung kann für Dimensionsänderungen (sog. Free Sizing) verwendet werden (z.B. für Schalendicken).
  • Spezielle Verbesserungen der Frequenzgangoptimierung bringen eine starke Verkürzung der Rechenzeit.
• Erweiterungen der Weiteren Optimierungslöser (Modul AOS):
  • Eine neue Option Global Design Centering (GDC) wurde implementiert, um einen Bereich maximaler Stabilität zu finden. Ein typischer Anwendungsfall ist das Bremsenquietschen mit stochastischen Materialparametern für den Bremsbelag.

Neue Elemente

• Eine neue Elementformulierung für Dichtungselemente wurde eingeführt. Damit können Dichtungselemente mit verschiedenen Materialeigenschaften an gemeinsamen Knoten gekoppelt werden, ohne dass die verschiedenen Dichtungsbereiche getrennt werden müssen. Die Druck-Weg-Kurven können auch einfach in Wegrichtung verschoben werden, um bei der Modellierung allen Elementen einer Dichtung die gleiche Höhe geben zu können. Die tatsächlich unterschiedliche Höhe der Dichtungsbereiche wird dann über die Verschiebung der Druck-Weg-Kurve berücksichtigt.

Andere Erweiterungen

Neben vielen kleinen Erweiterungen in fast allen PERMAS-Modulen wurden alle Schnittstellen angepasst und um die neuen Möglichkeiten erweitert. Die wichtigsten Erweiterungen an den Schnittstellen sind:

• Medina
  • Anpassung an MEDINA 9.0,
  • Export der neuen Ergebnisse aus PERMAS Version 16.
• Abaqus
  • Berücksichtigung neuer Definitionen in PERMAS wie für den Kontakt und die Dichtungselemente,
  • Unterstützung der Definition von Konnektoren,
  • Erweiterte Möglichkeit zur Steuerung des Übersetzungsprozesses,
  • Interaktive Arbeitsweise über Meldungen und Übersichtstabellen in VisPER.
• Nastran
  • Erweiterte Unterstützung des OUTPUT2- und OUTPUT4-Formats.
• Excite
  • Unterstützung der EXCITE Version 2013.2,
  • Ein spezielles Kommando ist verfügbar, mit dem nach der Eigenwertanalyse eines reduzierten flexiblen Bauteils Massen- und Steifigkeitsmatrix gemäß einer Benutzervorgabe so verändert werden können, dass sich eine Verschiebung einzelner Eigenwerte ergibt. Das veränderte reduzierte System wird dann nach EXCITE exportiert. Damit lässt sich die Wirkung solcher geänderter Teile in EXCITE untersuchen, ohne dazu das FE-Modell des Bauteils zu ändern.

Bei allen System-Plattformen erfolgte eine Anpassung an das jeweils aktuelle Release des Betriebssystems.