Ein besseres Industriedesign durch Mathematik

Numerische Simulationen ermöglichen es Entwicklern von Stromgeneratoren, die Form der Elektroden zu optimieren, die am besten geeignete Isolierung zu wählen und die Haltespannung über einem akzeptablen Niveau zu halten. Um die komplexen dielektrischen Effekte hierbei zu bewerten, sind spezifische Analysen erforderlich, die Standard-Simulationswerkzeuge nicht leisten können. Im Rahmen des Projekts CASOPT ("Controlled component and assembly-level optimization of industrial devices") wollten Forscher diese Lücke füllen.

Genauer gesagt besteht der erste Schritt einer dielektrischen Simulation darin, das elektrische Feld mithilfe der Laplace-Gleichung zu berechnen. Die CASOPT-Forscher zeigten, dass die sogenannten Randelementmethode (boundary element method, BEM) bei Modellierung bis ins kleinste Detail effizient war. Dank der Hochleistungs-Computing-Technologie versprechen die drei entwickelten BEM, komplexe und große 3D-Modelle mit bis zu einer Million unbekannter Parameter lösen zu können.

BEM ist bereits heute einer der Hauptbestandteile der Simulationswerkzeuge, die der Industriepartner des Projekts ABB Schweiz benutzt. Diese Sammlung von Simulationsverfahren ermöglicht die Definition von Randbedingung und deckt Materialeigenschaften ab. Es ist in computergestützte Konstruktionssysteme integriert, durch die vernetzte Modelle zur Optimierung bereitgestellt werden.

Das CASOPT-Team untersuchte eine andere Herangehensweise als die parametrische Optimierung, die üblicherweise verwendet wird. Die Freiform-Optimierung, basierend auf der Formulierung des "adjungierten Problems", bietet Gradienteninformation und verringert den Aufwand für die Konstrukteure bei der Herstellung des Ausgangsmodells. Obwohl das neue Verfahren noch weitergehend untersucht werden muss, wurde es zu den Simulationswerkzeugen für Tests in industrieller Umgebung hinzugefügt.

Der Austausch von Know-how und Erfahrung mit ABB-Ingenieuren ebnete den Weg, um die neuen Erfolge in der Simulationstechnologie direkt für die Gestaltung von Stromgeneratoren anwenden zu können. CASOPT lieferte so die erforderliche Brücke zwischen Produktentwicklern in der Industrie und Wissenschaftlern aus Forschungsinstituten für eine höhere allgemeine Qualität des Entwurfsprozesses.