Supercomputing Akademie: Simulation - Grundlagen & Struckturmechanik

Das Modul Simulation - Grundlagen & Strukturmechanik ist eines der zentralen Module der Supercomputing-Akademie. Am Beispiel der Strukturmechanik lernen Sie, wie physikalisch-mathematische Modelle durch geeignete Diskretisierungsmethoden in lineare Gleichungssysteme überführt werden und welche Herausforderungen die numerische Lösung dieser Gleichungssysteme an die eingesetzte Hardware stellt.

Nach einer einführenden Darstellung des Simulationszyklus am Beispiel der Wärmeleitungsgleichung präsentieren wir Ihnen das grundlegende Prinzip der computergestützten, strukturmechanischen Simulation auf Basis der Methode der Finiten Elemente (FEM). Es wird demonstriert, wie man von den Grundgleichungen der Strukturmechanik zu einer Implementierung gelangt, welche die Funktionsweise strukturmechanischer Programmpakete zur Behandlung großer Probleme in wesentlichen Teilen widerspiegelt.

Die verwendeten numerischen Methoden werden vorgestellt, auf dem Trainingscluster getestet und in Bezug zu HPC gesetzt. Eine Analyse der gesellschaftlichen Bedeutung der Simulation rundet das Modul ab. Dieser Kurs bietet darüber hinaus die Möglichkeit zum intensiven Austausch mit den Dozenten sowie den anderen Kursteilnehmern.

Location

Online course
Organizer: HLRS, University of Stuttgart, Germany

Start date

Sep 09, 2024

End date

Oct 18, 2024

Language

German

Entry level

Basic

Course subject areas

Simulation

Supercomputing Academy

Topics

Computational Structural Mechanics

Numerical Simulation

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Inhalt

  • Einführung in die Simulation – Chancen und Grenzen

  • Das Simulationskonzept

  • Strukturmechanische Simulation

  • Numerische Methoden

  • PETSc

Verwendete Programmiersprachen und Software: C, Fortran 90, ParaView und das Computeralgebrasystem wxMaxima .

Keyworks zu Simulationskonzept

Fragestellung - Identifikation der beteiligten physikalischen Größen und Prozesse - Mathematische Modellierung auf Basis partieller Differentialgleichungen - Auswahl eines Diskretisierungsschemas - Diskretisierung der Problemstellung - Implementierung einer numerischen Lösungsprozedur - Ausführung der Implementierung auf einem Digitalrechner - Auswertung der Ergebnisse - Feedback an die Fragestellung

Keyworks zu Strukturmechanik

Gleichgewichtsbedingungen am linear elastischen Volumen - Prinzip der Virtuellen Verschiebungen - Gleichgewicht eines Finiten Elements - Aufstellen der Elementsteifigkeit und deren Integration im Parameterraum - Ansatz für lineare Elemente in 3D - Assemblierung der Systemmatrizen - Geometriebeschreibung und –Eingabe – Matrixspeicherung - Randbedingungen und Constraints Lineare Gleichungslöser – Ergebnisausgabe - Implikationen für Dateisysteme, Speicher und Prozessoren - zweidimensionaler Kragträger

Keyworks zu Numerische Methoden

Multigrid-Verfahren - Domain Decomposition – Schwachbesetzte Matrizen - Jacobi-Verfahren - PETSc – Konjugierte Gradienten-Verfahren – LAPACK - Matrix-Formate - Krylovraum-Verfahren

Dozenten

Dr.-Ing. Ralf Schneider (HLRS)

Preise

52,50€ Student:innen ohne Masterabschluss (oder äquivalentem Abschluss)

127,50€ Mitarbeiter:in oder Doktorand:in an einer deutschen Universität oder einem deutschen öffentlichen Forschungsinstitut

255,00€ Mitarbeiter:in oder Doktorand:in an einer Universität oder einem öffentlichen Forschungsinstitut in einem anderen EU-, EU-assoziierten oder PRACE-Land als Deutschland

510,00€ Mitarbeiter:in oder Doktorand:in an einer Universität oder einem öffentlichen Forschungsinstitut außerhalb eines EU-, EU-assoziierten oder PRACE-Landes

1410,00€ Andere Teilnehmer:innen, z. B. aus der Industrie, von anderen öffentlichen Einrichtungen oder private Teilnahme

Link zu den EU und EU-assoziierten (Horizon Europe), und PRACE Ländern.

Zielgruppen

  • Anwender:innen strukturmechanischer Programmpakete
  • Entwicklungsingenieure
  • CAE-, Berechnungs- und Simulationsingenieure
  • System-Designer
  • Simulationsinteressierte

Vorkenntnisse

Linux

Da die vorgesehenen Übungen auf dem HLRS-Trainingscluster bereitgestellt werden, benötigen die Kursteilnehmer erweiterte Grundkenntnisse des freien Betriebssystems Linux. Die wichtigsten Konzepte und Werkzeuge von Linux wie

  • Shell und Shell-Befehle (→ sicherer Umgang mit der Kommandozeile),

  • Secure Shell (SSH-Verbindung zum Cluster herstellen),

  • den Umgang mit Dateien und Skripten (kopieren, verschieben, umbenennen),

  • die Struktur des Systems (Verzeichnisse wechseln),

  • die Benutzer- und Rechteverwaltung (wem eine Datei gehört und wer diese lesen, ändern und ausführen darf) und

  • das Erstellen/Modifizieren von einfachen (ggf. vorhandenen) Batch-Skripten mit einem Editor wie nano, vi oder emacs

sollten bekannt sein. Eine Anleitung zur Arbeit auf dem Trainingscluster wird zur Verfügung gestellt. Falls Sie bei sich in dieser Hinsicht noch Defizite feststellen, verweisen wir an dieser Stelle auf https://www.tuxcademy.org/product/lxes/.

Programmierkenntnisse

Von den Teilnehmer:innen wird vorausgesetzt, dass sie die zur Verfügung gestellten Beispielscodes lesen und modifizieren können.

  • Sie verfügen über grundlegende Programmierkenntnisse in den Programmiersprachen C/C++ und Fortran 90, können deren Konstrukte verstehen und einfache Modifizierungen im Code durchführen.

  • Sie besitzen Kenntnisse über make-Files, können diese modifizieren und ausführen.

Umgang mit Plot-Tools

Ein sicherer Umgang mit einem Programm zur grafischen Darstellung von Messdaten und mathematischen Funktionen wird benötigt.

Mathematische Grundkenntnisse

Um an diesem Simulations-Modul der SCA erfolgreich teilzunehmen und diese zu bestehen, bedarf es mathematischer Vorkenntnisse.

  • Sie verfügen über grundlegende Kenntnisse der Linearen Algebra (z.B. Skalarprodukt, Matrix-Vektor-Multiplikation, lineare Gleichungssysteme).

  • Kenntnisse in Tensorrechnung sind von Vorteil.

Zur Auffrischung empfehlen wir Mathematik Online: http://www.mathematik-online.org.

Es werden keine Kenntnisse in Strukturmechanik vorausgesetzt.

Weitere Software

Für die Übungen wird das Programm ParaView und das Computeralgebrasystem wxMaxima verwendet. Es wird empfohlen, sich bereits vorab mit diesen Open Source Programmen vertraut zu machen.

Technische Voraussetzungen

  • Rechner mit ssh-Zugang zum Trainingscluster (mit ssh-Key).

    • Ggf. muss Software installiert werden. Dafür notwendige Rechte müssen vorhanden sein.

    • Netzverbindungen nach außen zu fremden Clustern müssen aufgebaut werden können.

  • Eine stabile Internetverbindung für das Bearbeiten der Lerninhalte und Übungen wird empfohlen.

  • Zugang zu Videokonferenz-Tool mit Kamera und Mikrofon (ein Headset wird aus Qualitätsgründen empfohlen).

Zeitaufwand

Der Zeitaufwand pro Modul beträgt insgesamt 50 Stunden bei wochenweise freier Zeiteinteilung sowie feste Termine für virtuelle Seminare (abends) und Prüfung (tagsüber). Die Dauer erstreckt sich über 5 Wochen mit einem ungefähren wöchentlichen Aufwand von 10 Stunden.

Flexibles Lernen

Sie lernen in komfortabler und effektiver Onlinelehre und erwerben so HPC-Fähigkeiten auf höchstem Niveau. Ergänzt werden die Online-Phasen durch regelmäßige Online-Meetings im virtuellen Klassenraum. Bei freier Zeiteinteilung wenden die Teilnehmerinnen und Teilnehmer das Gelernte in Übungen auf dem Trainingscluster an. Die Fachexperten des HLRS, welche die Lerneinheiten entwickelt haben, stehen in wöchentlichen virtuellen Seminaren für Fragen zur Verfügung. Ein Forum ermöglicht den fachlichen Austausch der Teilnehmerinnen und Teilnehmer untereinander.

Qualifizierte Teilnahmebestätigung

Für die Teilnahme an dem Modul erhalten Sie vom Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart eine Teilnahmebestätigung. Wenn Sie zudem sämtlich Lerninhalte des Moduls bearbeitet, regelmäßig an den virtuellen Seminaren teilgenommen und die Lernaufgaben fachgerecht beantwortet haben, erhalten Sie eine qualifizierte Teilnahmebestätigung.

Zertifikat

Sie erhalten ein Zertifikat, wenn Sie die Voraussetzungen für die qualifizierte Teilnahmebestätigung erfüllen und die Abschlussprüfung des Moduls bestehen. Mit der erfolgreichen Prüfung weisen Sie nach, dass Sie Kompetenzen erworben haben, das erlernte Wissen selbständig anzuwenden.

Weitere Informationen

Für weitere Informationen zur Supercomputing Akademie besuchen Sie unsere Website: https://www.supercomputing-akademie.de/

Weitere Kursangebote finden Sie auf Training Overview und Supercomputing Akademy Overview.

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