In der industriellen Produktentwicklung wird heutzutage häufig auf virtuelles Prototyping zurückgegriffen, um Entwicklungszeit und Materialkosten zu sparen. Obwohl virtuelles Prototyping durch computergestütztes Design und computergestützter Simulation signifikante Einsparungen von Entwicklungszeit und Materialkosten ermöglicht, beinhaltet es mehrere aufwendige und komplexe Zwischenschritte. Üblicherweise optimieren professionelle Teams während der Produktentwicklung einen Prototypen auf eine Vielzahl an Zielsetzungen wie z. B. sparsamer Gebrauch von Ressourcen und Stabilität unter Einwirkung bestimmter physischer Belastungen. Dies erfordert in der Regel ein mehrmaliges Durchführen von virtuellem Prototyping. Deswegen sind Methoden für das Beschleunigen und das Verkürzen des Ablaufs von virtuellem Prototyping ein wichtiges Forschungsziel.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit massiv parallelen Algorithmen, welche die faszinierende gebündelte Rechenleistung von modernen Grafikkarten ausnutzen, um virtuelles Prototyping zu beschleunigen und dessen Ablauf um einige aufwendige Zwischenschritte zu verkürzen. Das virtuelle Prototyping involviert häufig die Erstellung, Optimierung und Anpassung hochauflösender volumetrischer Netze zum Zweck einer numerischen Simulation, weswegen die vorliegende Dissertation ihren Fokus auf die effiziente Verarbeitung volumetrischer Netze legt. Eine zur numerischen Simulation häufig eingesetzte Art von volumetrischen Netzen sind unstrukturierte Tetraedernetze, weil sie eine robuste Netzgenerierung bieten und die Geometrie eines Tetraeders eine feine Diskretisierung zur Approximation einer Oberfläche ermöglicht. Aufgrund dieser Vorteile konzentriert sich die vorliegende Dissertation auf unstrukturierte Tetraedernetze.

Für das virtuelle Prototyping gilt es allerdings eine Vielzahl an Kriterien für eine erfolgreiche sowie genaue numerische Simulation zu beachten. Besonders maßgebliche Kriterien bestehen in der Auflösung des Netzes und der Qualität der geometrischen Form der Tetraederelemente. Daher finden Optimierung sowie lokale Neuvernetzung des Tetraedernetzes häufig Anwendung im virtuellem Prototyping. Um eine Beschleunigung der entsprechenden Verfahren zu erwirken, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit Strategien zur massiven Parallelisierung grundlegender Operationen, welche Bestandteil von Verfahren zur Netzoptimierung und lokaler Neuvernetzung sind. Darüber hinaus ist die Robustheit der parallelen Algorithmen ein Forschungsschwerpunkt, weil Algorithmen nur dann erfolgreich in dem virtuellem Prototyping eingesetzt werden können, wenn die resultierenden Netze die Kriterien der nachfolgenden numerischen Simulation erfüllen.

Einer der zeit intensivsten Aufwendungen beim virtuellen Prototyping besteht darin, dass die Anpassung eines Prototypentwurfes eine Änderung der mittels computergestütztem Designs erzeugten Freiformflächen und eine erneute Diskretisierung in ein volumetrisches Netz erfordert. Folglich können virtuelle Prototyping-Prozesse durch Methoden zur Vermeidung der wiederholten Anpassung der Freiformflächen des Prototyps und der anschließenden Netzgenerierung erheblich verkürzt werden. Um die Möglichkeiten zur Verkürzung virtueller Prototyping-Iterationen zu erweitern, werden in dieser Dissertation interaktive Methoden zur direkten Bearbeitung der Tetraedernetze ohne direkte Anpassung der Freiformflächen untersucht. Die schnelle Rechenleistung von massiv-parallelen Grafikkarten hat das Potenzial die Anpassung von hochauflösenden Tetraedernetzen auf interaktive Weise zu realisieren.

Jeder Durchlauf eines virtuellen Prototyping-Prozesses benötigt eine Methode, um die Simulationsergebnisse visuell zu analysieren. Bei der visuellen Analyse wendet das Produktionsteam in der Regel Post-Processing an, welches das Tetraedernetz und die zugehörigen Simulationsergebnisse visualisiert. Für das Post-Processing volumetrischer Netze ist es oft entscheidend auch die inneren Strukturen des Volumens zu visualisieren. Eine häufig angewendete Methode zur Visualisierung volumetrischer Netze ist das sogenannte direkte Rendering von Volumen. Das direkte Rendering von hochauflösenden Netzen benötigt feingranulare räumliche Datenstrukturen, welche den Raum fein aufteilen, damit die räumliche Suche nach Elementen des Netzes effektiv beschleunigt wird. Dementsprechend kann eine räumliche Datenstruktur einen beträchtlichen Anteil des auf einer Grafikkarte verfügbaren Speichers belegen. Daher wird in dieser Dissertation speicher-effizientes Post-Processing von unstrukturierten Tetraedernetzen angestrebt.

Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine Vielfalt an Methoden für schnelleres virtuelles Prototyping. Sie präsentiert Verfahren zur Berechnung voneinander unabhängiger Teilnetze eines volumetrischen Netzes, welche das konfliktfreie Ausführen von lokaler Neuvernetzung der Teilnetze auf Grafikkarten ermöglicht. Des Weiteren beinhaltet die vorliegende Dissertation eine robuste sowie massiv parallele Methode zur Optimierung der Knotenpositionen basierend auf dem Verfahren des steilsten Abstiegs. Durch das Anwenden dieser Methoden kann die Optimierung und die Neuvernetzung von unstrukturierten Tetraedernetzen um ein bis zwei Größenordnungen beschleunigt werden. Um den Aufwand virtueller Prototyping-Prozesse zu reduzieren, präsentiert die vorliegende Dissertation Methoden, welche es einem Nutzer auf Basis von semantischen Flächengruppen oder Kontroll-Käfigen ermöglichen ein unstrukturiertes Tetraedernetz zu editieren. Aufgrund von geschickter Ausnutzung massive paralleler Grafikkarten, kann ein interaktives Editieren der Netze realisiert werden. Bei der Gestaltung dieser Methoden zur Netzeditierung wurden Maßnahmen ergriffen, um eine Tetraedernetze zu erzeugen, welche die Kriterien von numerischen Simulationen erfüllen. Darüber hinaus stellt die vorliegende Dissertation eine speicher-effiziente räumliche Datenstruktur vor, welche es mittels parametrisierter Konstruktion dem Nutzer ermöglicht den Speicherverbrauch zu steuern. Außerdem beschreibt die vorliegende Dissertation eine Methode zur Vereinfachung von unstrukturierten Tetradernetzen, welche die Anzahl der Tetraeder in einem Netz um drei Viertel reduzieren kann, ohne dass die Wahrheitsgetreue des Post-Processings signifikant beeinträchtigt wird.