
nächster Kurslauf
11. September 2023
KURSINFORMATIONEN
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.
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
Sie kennen die möglichen Veränderungen, welche der intensive Einsatz von Informationstechnik in der Wissenschaft mit sich bringt, und können sie einschätzen.
Sie erfassen die ethischen und politischen Herausforderungen, die mit dieser technisch-epistemischen Veränderung für die Gesellschaft verbunden sind.
Sie kennen das Simulationskonzept für technisch-wissenschaftliche Fragestellungen.
Sie lernen die Grenzen eines Simulationsmodells zu beurteilen.
Sie lernen die prinzipiellen Schritte kennen, welche für den Übergang von den strukturmechanische Grundgleichungen zu einer konkreten Implementierung notwendig sind.
Sie verstehen die technischen Implikationen, welche die Implementierung strukturmechanischer FEM Programmpakete bei der Ausführung auf modernen HPC-Systemen mit sich bringt.
Sie üben anhand der parallelen Implementierung eines Programms zur Lösung dreidimensionaler linearer Strukturprobleme den Einsatz paralleler Löserbibliotheken kennen.
Sie wissen, welche Herausforderungen der Einsatz auf HPC-Systemen an die numerischen Methoden stellt.
Sie kennen wichtige direkte und iterative numerische Verfahren zur Lösung von linearen Gleichungssystemen.
Sie setzen LAPACK- und PETSc-Routinen auf dem Trainingscluster ein.
Sie testen und vergleichen iterative Verfahren zur Lösung von linearen Gleichungssystemen auf dem Trainingscluster.

Dr.-Ing. Ralf Schneider
High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS)
Head of Numerical Methods & Librariers
Universität Stuttgart
Nobelstraße 19, 70569 Stuttgart

Uwe Küster (Retirement)
High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS)
Former Head of Numerical Methods & Librariers
Universität Stuttgart
Nobelstraße 19, 70569 Stuttgart
AKTIONSPREIS
für Unternehmen, Selbstständige, Gewerbetreibende und Privatpersonen
Regulär
3.850 € 1 2.899 € 1,5
Early-Bird
2.899 € 1,2 1.999 € 1,2,5
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AKTIONSPREIS
für Öffentliche Einrichtungen (Wissenschaftliche Mitarbeiter)
Regulär
2.899 € 1,3 2.149 € 1,3,5
Early-Bird
2.149 € 1,2,3 1.899 € 1,2,3,5
Jetzt buchen
Preis
für Studierende
Regulär
149 € 1,4
Early-Bird
99 € 1,2,4
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1 Preis gilt pro Person. Die Leistungen sind nach § 4 Nr. 22 a UstG von der Umsatzsteuer befreit.
2 Entspricht dem regulären Preis mit einem "Early-Bird-Rabatt", gültig bei einer Anmeldung bis zum tba.
3 Preis für MitarbeiterInnen von öffentlichen Einrichtungen.
4 Für Studierende in Vollzeit ohne Master-/ Diplomabschluss, vorlegen einer Immatrikulationsbescheinigung erforderlich.
5 Zeitlich begrenzter Aktionspreis für das Jahr 2022/2023.
- Anwender:innen strukturmechanischer Programmpakete
- Entwicklungsingenieure
- CAE-, Berechnungs- und Simulationsingenieure
- System-Designer
- Simulationsinteressierte
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.
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).
Der Zeitaufwand pro Modul beträgt insgesamt 60 Stunden bei wochenweise freier Zeiteinteilung sowie feste Termine für virtuelle Seminare (abends) und Prüfung (tagsüber). Die Dauer erstreckt sich über 6 Wochen mit einem ungefähren wöchentlichen Aufwand von 10 Stunden.
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.
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.
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.
Sie benötigen Zertifikate in den vorgegebenen Modulen:
