Produktentwicklung Simulation: Vier Schritte vorwärts in der Multiphysik

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In vielen Entwicklungsabteilungen ist Simulation vom Prüfwerkzeug zum festen Bestandteil der Entwicklungsarbeit geworden, um Entscheidungen früher zu treffen, Varianten zügig zu vergleichen und Risiken früh zu erkennen. Mit Version 6.4 erweitert Comsol Multiphysics die Plattform in allen Physikbereichen mit Performance-Gewinnen, neuen Anwendungsfeldern und Assistenzfunktionen.

Multiphysik ist in der modellbasierten Produktentwicklung kein Sonderfall, sondern die Regel. Da sich reale Systeme nicht an disziplinäre Grenzen halten, müssen belastbare digitale Prototypen Kopplungen zwischen Feldern, Strömungen, Wärme, Chemie und Mechanik konsistent abbilden. Comsol verfolgt einen bewusst offenen Ansatz: Im gesamten Modell können feste Werte durch Parameter, Variablen, Funktionen oder eigene Gleichungen ersetzt werden. So lässt sich ein Modell von einer ersten Abschätzung zu Variantenrechnungen und schließlich zu versionierten Prototypen ausbauen. Wenn Standardannahmen nicht ausreichen, kann man auf einfache Weise eigene Gleichungen und Kopplungen ergänzen, ohne den Workflow zu verlassen.

Damit Simulation im Alltag skaliert, reicht jedoch die Modellerstellung allein nicht aus. Apps lassen sich intern bereitstellen oder als völlig eigenständige Programme verteilen, die ohne Lizenz auf beliebigen Endgeräten laufen. Alternativ kann man sie über Comsol Server zentral verwalten und im Browser ausführen. Version 6.4 unterstützt diesen Einsatz, indem sich Netzwerkparameter für DNN-Ersatzmodelle exportieren lassen, und Trainingsdaten per Batch- und Cluster-Computing effizient erzeugt werden können. Die wichtigsten Neuerungen in Version 6.4 lassen sich in vier konkreten Schritten zusammenfassen

1. Schnellere Lösungen durch GPU-Einsatz

Mit dem Nvidia Cuda Direct Sparse Solver (cuDSS) steht ein physikunabhängiger, GPU-beschleunigter direkter Solver zur Verfügung, der sich für alle Anwendungsbereiche eignet und sich von der Einzelphysik bis zu stark gekoppelten Multiphysikmodellen einsetzen lässt. Der Vorteil zeigt sich vor allem dann, wenn große, dünnbesetzte Gleichungssysteme wiederholt gelöst werden müssen, beispielsweise in nichtlinearen Iterationen, impliziten Zeitschritten, Eigenwertproblemen oder Parameter-Sweeps. In Tests konnte man Beschleunigungen um den Faktor fünf oder mehr erreichen. Der tatsächliche Gewinn hängt jedoch vom Modell und der Hardware ab. Besonders profitieren eng gekoppelte Probleme, die bislang mit direkten Lösern gelöst wurden. Für viele Workflows bedeutet dies, dass mehr Parameterstudien, feinere Netze oder mehr Physik in derselben Zeit möglich sind. Ergänzend wird die Multi-GPU-Unterstützung für zeitexplizite Druckakustik ausgebaut, wodurch sich große transiente Analysen besser skalieren lassen.

2. Explizite Dynamik für anspruchsvolle Strukturereignisse

Für schnelle, transiente und stark nichtlineare Ereignisse führt Version 6.4 ein Framework für zeitexplizite Strukturdynamik ein. Die explizite Zeitintegration ist auf große Deformationen, hohe Dehnraten und allgemeine Kontaktbedingungen mit vielen Objekten ausgelegt. Damit lassen sich Aufgaben behandeln, bei denen implizite Verfahren häufig an ihre Grenzen hinsichtlich Robustheit und Laufzeit stoßen. Dazu zählen typischerweise Falltests empfindlicher Geräte, Stoßereignisse, Wellenausbreitung oder Umformprozesse. Auch komplexe mechanische Kontakte, etwa beim Verpressen vieler Kontaktpartner, lassen sich damit stabiler berechnen. Der Aufwand für Entwicklerteams, transiente Kurzzeitszenarien numerisch stabil und in akzeptabler Zeit zu rechnen, sinkt deutlich.

3. Neues Granular Flow Module für Partikelprozesse

Mit dem neuen Granular Flow Module erweitert Comsol seine Plattform um die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) zur Simulation granularer Prozesse. Anstatt ein Schüttgut als Kontinuum zu approximieren, werden die Bewegung der Partikel und ihre Wechsel­wirkungen direkt erfasst. So lassen sich Kollisionen, Adhäsion, Reibung, Rotationswiderstand und (je nach Setup) Wärmetransport zwischen einzelnen Partikeln berücksichtigen. Auf diese Weise können Anwender Trichter- und Silofluss, Rutschentransport, Dosierung, Mischprozesse oder Pulververteilung realistischer untersuchen, insbesondere wenn Partikelgrößen, Wandkontakte oder die Mischgüte eine entscheidende Rolle spielen. Die DEM-Formulierung verfolgt Translation und Rotation einzelner Körner und leitet daraus das Gesamtverhalten ab. Dies ist sogar bei sehr großen Partikelzahlen möglich. Typische Einsatzfelder finden sich in der chemischen Verarbeitung, in der Pharmaindustrie, in der Landwirtschaft, im Bergbau und in der additiven Fertigung.

4. Intelligente Unterstützung bei der Modellerstellung

Zusätzlich erweitert Version 6.4 die optionalen, LLM-gestützten Funktionen: Über das Chatbot-Fenster ist eine Verbindung zu OpenAI-API-kompatiblen Diensten möglich, darunter GPT-5, DeepSeek, Google Gemini und Anthropic Claude. Neben dem Zugriff auf die Comsol-Dokumentation lässt sich Kontext gezielt beilegen, etwa in Form einzelner Knoten aus dem Modellbaum, eines ganzen Modells, von Textdateien oder Bildern. Damit hilft die Assistenz sowohl bei Syntax- und Einstellungsfragen als auch bei konkreten Arbeitsschritten wie dem Setzen von Randbedingungen, dem Interpretieren von Fehlermeldungen oder dem Generieren von API-Code. Das Sprachmodell läuft nicht in Comsol selbst, sondern wird über einen konfigurierten Provider angesprochen. Erforderlich ist ein eigener API-Key. Dies erleichtert es, Unternehmensvorgaben zu berücksichtigen, beispielsweise welche Dienste genutzt und welche Modelldaten extern geteilt werden dürfen.

Produktentwicklung

Simulationssoftware: Comsol zieht positive Jahresbilanz 

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Mit Comsol Multiphysics 6.4 lassen sich zentrale Aspekte der digitalen Produktentwicklung adressieren. Zwei der vier wichtigsten Neuerungen zielen direkt auf Rechenzeit und Robustheit: GPU-Beschleunigung verkürzt iterative Rechnungen, explizite Dynamik stabilisiert stark nichtlineare Kurzzeitszenarien. Granular Flow und Assistenzfunktionen erweitern parallel das Anwendungsspektrum und senken den Aufwand in der Modellerstellung. Gleichzeitig wird es einfacher, Simulationserfahrung über Teams hinweg zu teilen – als nachvollziehbare Modellhistorie, als wiederverwendbarer Workflow oder als Simulations-App bis hin zur lizenzfrei einsetzbaren Standalone-Anwendung. Damit wird Multiphysik leistungsfähiger und gleichzeitig zugänglicher.

Der Autor Dr. Phillip Oberdorfer ist Technology Communication Manager bei Comsol Multiphysics.