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Simulieren mit Wolfram SystemModeler

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Multiphysik-Simulationen für technische Anwendungen gibt es viele. Die Spezialität des SystemModeler: Er arbeitet mit dem Computeralgebra-System Mathematica Hand in Hand.

Die Papierserviette als Geburtsort ingeniöser Großtaten genießt zwar einen legendären Ruf, ist aber überholt. Wer heute gleich das erste Blockdiagramm für Garagentormechanismus, Flugzeugkatapult oder Eisbrecherantrieb am Rechner zusammenklickt, dem liefert geeignete Software nicht nur gebrauchsfertige Symbole für elektrische, mechanische und hydraulische Komponenten, sondern gleich einen ersten Funktionscheck des Entwurfs. Simulationswerkzeuge wie der SystemModeler von Wolfram Research gehen noch weiter: Aus dem gezeichneten Entwurf erzeugt die Software ein Computermodell, das die Zustandsänderung des Systems über die Zeit nachbildet und die Entwicklung von Größen wie Drehmoment, Stromstärke oder Beschleunigung für alle Komponenten als Plot zur Verfügung stellt.

Der Hersteller Wolfram Research ist die Firma hinter dem Computeralgebrasystem Mathematica und der Datensuchmaschine Wolfram Alpha. Er stellte seinen SystemModeler kürzlich als neues Produkt vor, das allerdings verwirrenderweise bereits die Versionsnummer 3 trägt. Die Auflösung: Der SystemModeler hieß früher MathModelica und war ein Produkt der schwedischen Firma MathCore, die Wolfram im März 2011 komplett übernommen hat. MathModelica leitet seinen Namen von der frei verfügbaren objektorientierten Beschreibungssprache Modelica ab, die seit 1997 von der Modelica Association entwickelt wird (siehe c’t-Link) und aktuell in Version 3.3 vorliegt. Neben kommerziellen Werkzeugen wie SystemModeler, Dymola und MapleSim kommen auch kostenlose Werkzeuge wie OpenModelica oder JModelica.org mit dem Standard klar. ...

Interview mit Jan Brugård

Jan Brugård ist der Chef der Firma MathCore, die SystemModeler entwickelt und seit 2011 zu Wolfram Research gehört.

c’t: Wem nützt SystemModeler?

Jan Brugård: Zielgruppe sind Ingenieure aus den verschiedensten Bereichen, von der Automobilindustrie bis zum Schiffbau, aber auch aus den Life Sciences. Auch die Ausbildung ist natürlich ein wichtiger Bereich, aber in erster Linie geht es um industrielle Anwendungen – und dort um alles, was sich bewegt.

c’t: Worin unterscheidet sich SystemModeler von anderen Simulationswerkzeugen, etwa solchen für die Finite-Elemente-Modellierung (FEM)?

Brugård: FEM benutzt man, wenn man beschreiben will, wie sich Dinge im Raum verhalten, etwa, wie sich die Wärme in einem Verbrennungsmotor ausbreitet. SystemModeler dagegen betrachtet die Zeit und versucht zu beschreiben, wie sich ein System als Ganzes mit der Zeit verändert. Statt auf die Wärmeverteilung im Zylinder eines Motors zu schauen, sehen wir, wie dort Energie erzeugt wird und wie diese umgewandelt wird, um ein Auto zu beschleunigen – und zwar bereits von dem Moment an, in dem jemand aufs Gas tritt.

c’t: Wo stößt SystemModeler an Grenzen?

Brugård: Es ist keine FEM-Anwendung, das bringen die meisten Leute durcheinander. Wenn ich ein Wasserglas fallen lasse, dann ist SystemModeler das passende Werkzeug, um den Weg bis zum Boden zu modellieren. Wenn ich aber wissen will, welche Kräfte beim Aufprall an welchen Stellen im Glas auftreten, brauche ich FEM.

An Grenzen stößt man auch bei der präzisen Analyse etwa der Sensitivität oder wenn man Parameter in kleinen Schritten automatisch durchspielen will. Dann springt Mathematica in die Bresche.

c’t: Wie würden Sie das Verhältnis zwischen Mathematica und SystemModeler charakterisieren?

Brugård: SystemModeler ist ein Werkzeug, um Systeme schnell zu verstehen. Jemand, der weiß, wie man einen realen Gleichstrommotor anschließt, kann das auch in SystemModeler. Mathematica hingegen ist ein umfangreicher Packen Technik, um ambitionierte Dinge zu tun und wirklich tiefe Einsichten zu gewinnen – sowohl im Entwurfsprozess als auch bei den Ergebnissen.

c’t: Lässt sich SystemModeler auch mit CAD-Anwendungen koppeln? Kann man ein Platinenlayout importieren und die darauf implementierte Schaltung virtuell testen?

Brugård: Noch nicht. Wir beschäftigen uns aber damit, wie das klappen könnte.

c’t: Können Nutzer das System für zusätzliche Einsatzgebiete erweitern?

Brugård: Man kann dank des Modelica-Standards und der Sprache eigene Bibliotheken schaffen. Die kann man entweder frei als Open Source zur Verfügung stellen, wie im akademischen Umfeld vielfach üblich, oder Lizenzen dafür verkaufen, was einige Firmen machen. Natürlich muss jeder, der eine Bibliothek modelliert und weitergibt, ihre Zuverlässigkeit garantieren. Wolfram wird möglicherweise selbst weitere Bibliotheken hinzufügen und die vorher genau prüfen, klar.

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c't 16/2012, Seite 138 (ca. 2 redaktionelle Seiten)
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Artikel-Vorschau
  1. Symbolisch zeichnen
  2. Vereinte Kräfte
  3. Fazit
  4. Interview mit Jan Brugård

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