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Die Entwicklungsumgebung zur Beschreibung und Lösung von partiellen Differentialgleichungen

Diffpack ist eine objektorientierte Entwicklungsumgebung, um eigene, kundenspezifische FEM-Solver zu programmieren. Diffpack eignet sich besonders für die Lösung physikalischer Fragestellungen, die von Standard-FEM-Programmen nicht abgedeckt werden, wie zum Beispiel die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in einem chemischen Prozess. Diffpack erlaubt es, für jede physikalische Fragestellung ein entsprechendes FEM-Modul zu programmieren, und stellt dafür über 600 vordefinierte C++-Klassen und Objekte zur Verfügung, um Features und Methoden einfach und komfortabel implementieren zu können. Zu den Funktionalitäten von Diffpack zählen beispielsweise gemischte Finite-Elemente-Ansätze, adaptive Vernetzung oder parallele Gleichungslöser.

Diffpack und ANSYS

Damit die Anwender kein zweites Programm lernen und sich keine Mathematik- und Programmierkenntnisse aneignen müssen, lässt sich Diffpack nahtlos in ANSYS Workbench integrieren. Sie können dann auf der gewohnten Benutzeroberfläche auf die Elemente und Solver von Diffpack zugreifen. Das komplette Preprocessing (Materialdaten, Vernetzung, Randbedingungen, Kontaktmodellierung) wird in ANSYS Workbench realisiert. Mit diesen Daten wird der Diffpack-Solver direkt von ANSYS aufgerufen, und die Ergebnisse werden in ANSYS Workbench zur Auswertung zur Verfügung gestellt. ANSYS kann somit für jede beliebige physikalische Fragestellung durch individuell gestaltete Module erweitert werden. Dadurch stehen die Diffpack-Funktionen nicht nur den Spezialisten, sondern jedem ANSYS Anwender zur Verfügung.

Simulation der Sauerstoffverteilung in einem chemischen Prozess

Bei einem bestehenden ANSYS Anwender hatte sich eine Fragestellung ergeben, die zunächst mit den Bordmitteln von ANSYS nicht zu lösen war. Berechnet werden sollte die Verteilung der Sauerstoffkonzentration infolge eines chemischen Prozesses. Von hauptsächlichem Interesse war dabei die Sauerstoffkonzentration (gOx) und die resultierende Temperaturverteilung, die als Anfangsbedingung für eine thermisch-transiente Analyse verwendet wird. Wichtig war dem Kunden, dass kein neues FEM-System eingeführt werden muss.

In diesem Fall wurde mit Diffpack eine entsprechende Lösung zur Berechnung der Sauerstoffverteilung programmiert und dann durch den sogenannten „Mechanical Application Wizzard“ in ANSYS realisiert. Bei der Anwendung wird das FEM-Modell in gewohnter Weise in ANSYS Workbench vernetzt und die Randbedingungen, Lasten sowie Lösungseinstellungen werden festgelegt. Anschließend erfolgt die Weiterleitung aller notwendigen Daten von ANSYS Workbench an den Diffpack-Solver, der dann gestartet wird, um die Aufgabe zu lösen. Nach der Berechnung werden die Ergebnisse in eine von ANSYS Workbench lesbare Datei geschrieben, sodass dort das Postprocessing stattfinden kann.

 

Elektro-chemisch-thermo-mechanische Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

Beim Fraunhofer Institut (IFAM) in Oldenburg wurde mit Diffpack ein FEM- und FDM-Solver zur elektro-chemisch-thermo-mechanischen Simulation (Christensen-Newman-Modell) von Lithium-Ionen-Batteriezellen entwickelt. Im Gegensatz zu den kommerziellen FEM-Tools, in denen nicht alle physikalischen Phänomene abgebildet werden können, können in Diffpack die zugrunde liegenden physikalischen Differentialgleichungen programmiert werden.

Besonders einfach wird die Programmierung durch die in der Diffpack-Bibliothek zur Verfügung stehende Funktionalität zur Behandlung von Systemen gekoppelter Differentialgleichungen und die dafür erforderlichen Gleichungslöser. Die Implementierung der Diffpack-Lösung erfolgte mithilfe der Mathematiker der Firma inuTech (Hersteller von Diffpack).

 

Leistungsmerkmale

Die objektorientierte Klassenbibliothek von Diffpack – mit besonderem Schwerpunkt auf der Finite-Elemente-Modellierung und -Berechnung – basiert auf der Programmiersprache C++ und ermöglicht so eine flexible Implementierung eines kundenspezifischen Solvers. Die notwendigen Features und Methoden in Form von Klassen und Objekten sind leicht und komfortabel verwendbar.

Mit den C++-Bibliotheken von Diffpack können maßgeschneiderte FEM-Löser entwickelt werden, um Standard-FEM-Programme wie ANSYS in ihrer Funktionalität zu ergänzen. Diffpack enthält über 600 C++-Klassen, deren Funktionalität sich von elementaren Datenstrukturen bis hin zu anspruchsvollen Modulen erstreckt, beispielsweise gemischte Finite-Elemente-Ansätze, adaptive Vernetzung oder parallele Berechnung.

Jedes in Diffpack programmierte FEM-Modul kann nahtlos in ANSYS Workbench integriert werden. Sie können so auf alle Pre- und Postprozessor-Funktionalitäten von ANSYS zugreifen.

Diffpack unterstützt die Auswahl aller anwendungsrelevanten Größen zur Laufzeit des Programms – angefangen bei einfachen skalaren Parameterwerten bis hin zu abstrakten Größen wie Elemente, Matrizen und Gleichungslöser. Der Anwender kann komplizierte Experimente aufsetzen, zum Beispiel eine Schleife über verschiedene Lösungs- und / oder Vorkonditionierungsstrategien. Außerdem lassen sich Berichte automatisiert erstellen, unter anderem mit den numerischen Ergebnissen, Bildern und Animationen der Berechnungsergebnisse.

In Diffpack lassen sich – via Programmierung einer „dünnen“ Kommunikationsschnittstelle – eigene Entwicklungen, beispielsweise ein Fortran-Code, schnell integrieren. Diese Funktionalität ermöglicht eine einfache Erweiterung von Diffpack, zugeschnitten auf das jeweilige Spezialgebiet des Anwenders. Zusätzlich enthält Diffpack eine Vielzahl von Softwarewerkzeugen, mit denen die Qualität der Anwenderprogrammierung optimiert werden kann.

Um die Funktionalität von Diffpack nutzen zu können, müssen Sie kein Mathematiker oder Programmierer sein. Sie erläutern uns Ihr physikalisches Problem und wir entwickeln für Sie auf Basis von Diffpack die entsprechende FEM-Umgebung. Für die Anwendung des FEM-Moduls ist kein Spezialwissen erforderlich.

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