Mesco

ANSYS DesignXplorer


Optymalizacja parametryczna
w środowisku ANSYS


Rola optymalizacji w komputerowym wspomaganiu projektowania


Powierzchnie odpowiedzi, jak przedstawiona powyżej, przejrzyście ilustrują złożone zależności pomiędzy parametrami wejściowymi a wyjściowymi.











Rys. 1 Powierzchnie odpowiedzi, jak przedstawiona powyżej, przejrzyście ilustrują złożone zależności pomiędzy parametrami wejściowymi a wyjściowymi
    Symulacje komputerowe są przeważnie wykorzystywane w celu dogłębnego oszacowania zachowania się konstrukcji, przy określonych wymiarach geometrycznych, warunkach brzegowych i własnościach materiałowych. Projektując nowy lub modyfikując istniejący produkt, znalezienie odpowiedniego rozwiązania konstrukcyjnego, spełniającego coraz wyższe wymagania inżynierskie, wymaga wielu kompromisów. Nieraz uzyskanie zadowalającego rozwiązania oznacza nużące i czasochłonne przeprowadzenie wielu analiz tego samego produktu. Jedną z częściej spotykanych sytuacji jest takie projektowanie podzespołów urządzeń, aby przy jak najmniejszej masie oferowały największą możliwą wytrzymałość lub trwałość. Tego typu czasochłonne prace bywają chlebem powszednim w pracy konstruktora.
    Często z powodu dużego nakładu pracy (przygotowanie analizy i badanie wyników) korzyści płynące z zastosowania oprogramowania MES są o wiele mniejsze niż powinny. Większość inżynierów wykorzystuje tylko cześć z możliwości oferowanych przez oprogramowanie, skupiając się na analizie stanu istniejącego lub przebadaniu kilku wariantów, bez użycia oprogramowania do automatycznej optymalizacji konstrukcji. Jednym z takich programów jest ANSYS DesignXplorer. Pozwala on nie tylko wykonywać analizy parametryczne uwzględniające zmienność danych wejściowych, ale co bardzo ważne, w prosty i czytelny sposób prezentuje ogrom uzyskiwanych informacji, takich jak wpływ poszczególnych parametrów na zachowanie się projektowanej konstrukcji.

Analizy w ANSYS DesignXplorer

    Konstruktor, projektując produkt, często zastanawia się jaki wpływ na zachowanie się konstrukcji miałoby wprowadzenie pewnych określonych zmian, np.: zastosowanie innego wymiaru geometrycznego czy materiału. Często rozważania prowadzone są na zasadzie sprawdzenia określonej liczby wariantów - przypadków. Symulacje tego typu w ANSYS DesignXplorer noszą nazwę analiz "What-if?". Pozwalają uzyskać odpowiedź na pytania typu "co by było gdyby?", np.: Co się stanie jeżeli nastąpi zmiana obciążenia o +/- 10%? Które parametry tak naprawdę mają znaczący wpływ na zachowanie układu?. Analizy "What-if?" stanowią najprostszy typ analiz parametrycznych dostępnych w ANSYS DesignXplorer. W analizach tych należy ręcznie zdefiniować punkty projektowe, czyli: określić ile symulacji ma zostać wykonanych, zdefiniować dane wejściowe, wyjściowe i przypisać określone wartości parametrom w analizie. Proces ten można częściowo zautomatyzować, na przykład poprzez wczytywanie danych z arkuszy MS Excel. Po przeliczeniu zdefiniowanych punktów projektowych można przejść do analizy wyników. Podstawową metodą wizualizacji wyników jest wyświetlanie wykresów 2D, obrazujących zależności pomiędzy parametrami wejściowymi a wyjściowymi.
 
Rys. 2 Na powyższym wykresie kompromisu (trade-off) czerwonym konturem zakreślono granicę przestrzeni projektowej. Wszystkie osiągalne rozwiązania znajdują się w tym obszarze.
      Pełna wersja modułu ANSYS DesignXplorer, poza badaniem "What-if" pozwala na przeprowadzenie rozbudowanych analiz parametrycznych, probabilistycznych i pełnej optymalizacji. ANSYS DesignXplorer w celu dokładnego określenia zależności pomiędzy zmiennymi projektowymi a zachowaniem się konstrukcji, łączy technikę zbierania informacji zwaną Design of Experminets - DOE z metodą badania i wyznaczania zależności pomiędzy parametrami zwaną powierzchnią odpowiedzi (Response Surface). Tok postępowania w analizie jest dość prosty. Gdy w odpowiedniej liczbie punktów projektowych znane są dokładne zależności pomiędzy parametrami wejściowymi a wyjściowymi, można w przybliżeniu oszacować te relacje dla całej przestrzeni projektowej. Zwiększanie liczby punktów projektowych (wykonanie dodatkowych analiz) zwiększa dokładność powierzchni odpowiedzi. Uzyskane zależności pomiędzy parametrami można przedstawić w prosty i czytelny sposób za pomocą wykresów: liniowych 2D, powierzchniowych 3D lub czułości. Taka jasna prezentacja wyników pozwala bez trudu zrozumieć zachowanie konstrukcji i określić zmiany jakie należy wprowadzić aby układ spełniał zadane kryteria.


Prezentacja danych

    Odpowiednia reprezentacja i interpretacja danych wynikowych jest bardzo ważnym elementem całego procesu projektowego. Ma ona znaczny wpływ na korzyści płynące ze stosowania analiz parametrycznych. Kolorowe wykresy 2D i 3D w prosty do zrozumienia sposób przedstawiają ogromne ilości danych, które w przypadku innej ich prezentacji utrudniłyby szybkie i poprawne podjęcie decyzji. Niewątpliwie każdemu przyjdzie z dużo większą łatwością odczytać i zinterpretować wykres, aniżeli przeanalizować wydruk zawierający wiele tysięcy liczb.
Za pomocą wykresów czułości można bez trudu zidentyfikować kluczowe parametry mające największy wpływ na zachowanie się konstrukcji. Na powyższym rysunku widać wpływ poszczególnych parametrów wejściowych i wyjściowych na model.
Rys. 3 Za pomocą wykresów czułości można bez trudu zidentyfikować kluczowe parametry mające największy wpływ na zachowanie się konstrukcji. Na powyższym rysunku widać wpływ poszczególnych parametrów wejściowych i wyjściowych na model.
    Wśród wielu dostępnych metod reprezentacji wyników, do wykorzystania na samym początku, zaleca się wykres kompromisu "trade-off". Przedstawia on dopuszczalność (poprawność) rozwiązań w danej przestrzeni projektowej. Zasada działania jest prosta. Wpierw generowana jest zadana liczba kombinacji parametrów wejściowych, następnie przeprowadzając interpolacje po powierzchni odpowiedzi (rys. 1), każdemu zestawowi parametrów wejściowych (próbce) wyznaczany jest odpowiedni zestaw parametrów wyjściowych. Należy mieć na uwadze, iż dane wyjściowe uzyskane tym sposobem mają charakter przybliżony, a dokładność przybliżenia zależy od wykonanego planu eksperymentu (DOE). Otrzymane wyniki umieszczane są na wykresie kompromisu, gdzie każda próbka stanowi jeden punkt na wykresie. Rys. 2 przedstawia przykładowy wykres kompromisu uzyskany w ANSYS DesignXplorer. Analizując dane na nim przedstawione można stwierdzić, iż dla wsp. bezpieczeństwa równego 1.1, w zależności od przyjętych parametrów geometrycznych, masa elementu może wynieść od 0.65 do 1.2 kg. Jeśli wymagania projektowe określają, że masa nie może przekroczyć 0.6 kg, można od razu stwierdzić, że przy aktualnie założonej dopuszczalnej zmienności wymiarów niemożliwe jest spełnienie tego wymogu. W celu znalezienia rozwiązania spełniającego to wymaganie należałoby przeanalizować i zmodyfikować model lub zakres parametrów wejściowych. Z drugiej strony, jeśli wymagania określają dopuszczalną masę na 1.0 kg, można zauważyć, że istnieje przynajmniej jedno rozwiązanie spełniające postawione mu wymagania. ANSYS DesignXplorer posiada specjalne narzędzia służące do wyselekcjonowania najlepszego rozwiązania z posiadanego zbioru rozwiązań dopuszczalnych.
    Spośród wszystkich dostępnych wizualizacji wyników, najłatwiejsze w zrozumieniu są proste wykresy 2D zawierające do czterech parametrów. Wykresy czułości (kołowe lub słupkowe) dostarczają natychmiastowo informacji na temat wagi każdej zmiennej, czyli wielkości jej wpływu na zachowanie konstrukcji w odniesieniu do określonego bazowego punktu projektowego (rys. 3). Podejście to umożliwia inżynierowi zidentyfikować kluczowe parametry oraz wskazuje obszary na które należy zwrócić szczególną uwagę.
 

Parametryzacja geometrii kluczem do wariacji rozwiązań

    Podczas analiz można rozpatrywać wpływ wielu rożnych parametrów na zachowanie konstrukcji (np.: własności materiałowe, warunki brzegowe), jednak to właśnie zmiany w wymiarach geometrii są głównym źródłem wariacji rozwiązań. Chociaż programy wspomagające proces projektowania (CAD) oferujące parametryzację modelu istnieją na rynku już wiele lat, niewiele programów obliczeniowych wykorzystuje ukryty w nich potencjał. Niektóre narzędzia jak np.:  język projektowania parametrycznego ANSYS APDL (ANSYS Parametric Design Language), umożliwiają użytkownikowi tworzyć sparametryzowaną geometrię. Wiąże się to z koniecznością przygotowania nowego modelu praktycznie od początku. Zazwyczaj najskuteczniejszym rozwiązaniem okazuje się import modelu do platformy ANSYS Workbench wprost z systemu CAD.
Powierzchnie odpowiedzi
Powierzchnie odpowiedzi.
Przykład zależności wytrzymałości od parametrów geometrycznych
   ANSYS oferuje interfejsy graficzne współpracujące z głównymi systemami CAD dostępnymi na rynku. Pozwalają one nie tylko na wczytanie geometrii, ale również dzięki dwukierunkowej asocjatywności z CAD umożliwiają import/eksport parametrów, materiałów, złożeń czy nazw. W związku z powyższym, środowisko ANSYS Workbench stanowi dogodne narzędzie do przygotowania i przeprowadzenia analiz parametrycznych i optymalizacji.
    Dodatkowo, użytkownicy posiadający licencję ANSYS DesignSpace lub wyższą mają możliwość przeprowadzenia optymalizacji kształtu. Wskazuje ona które obszary modelu, przy zadanych obciążeniach, mają najmniejszy wpływ na sztywność układu. Stanowi idealną pomoc przy optymalizacji masy konstrukcji, wskazując obszary do odchudzenia a więc i sparametryzowania.


DesignXplorer narzędziem dla wszystkich zjawisk fizycznych

    ANSYS DesignXplorer umożliwia wykorzystanie analiz parametrycznych w wielu dziedzinach nauki np.: mechanice płynów i konstrukcji, elektromagnetyzmie czy przepływie ciepła.  Dzięki współpracy ANSYS DesignXplorer ze wszystkimi produktami ANSYS dostępnymi z poziomu środowiska Workbench, analizy parametryczne są do dyspozycji w praktycznie każdej symulacji, jak np.: analizach mechanicznych (zarówno implicit jak i explicit), mechanice płynów i innych. Istnieje ponadto możliwość przeprowadzenia sparametryzowanych analiz sprzężonych, w których wiele różnych zjawisk fizycznych jest analizowanych sekwencyjnie lub w sposób bezpośredni (np.: FSI, analiza naprężeń termicznych, piezoelektryczność).



DesignXplorer wykracza poza ANSYS


    Oczywiście zastosowanie ANSYS DesignXplorer nie ogranicza się wyłącznie do produktów ANSYS. Moduł ten umożliwia przeprowadzenie analiz parametrycznych i optymalizacji, procesów lub analiz zachodzących w innych systemach (istnieje możliwość zakupu jako samodzielny produkt).

 

Możliwości ANSYS DesignXplorer


Dostępne plany eksperymentu (Design Of Experiments - DOE):
  • CCD - Central Composite Design
  • Optimal Space-Filling
  • Niestandardowe, możliwość importu własnych DOE
Schematy dopasowania powierzchni odpowiedzi:
  • Full Second-Order Polynominal
  • Kriging
  • Non-parametric Regression
  • Neutral Network
Optymalizacja:
  • Screening (shifted Hammersley)
  • Multi-Objective Genetic Algorith (MOGA)
  • Nonlinear Programming (NLPQL)
Narzędzia graficzne:
  • Wykresy czułości (słupkowe lub kołowe)
  • Macierze korelacji
  • Wykresy liniowe i powierzchniowe
  • Wykresy kompromisu
  • Wykresy równoległe z frontem Pareto
  • i inne...

    Podsumowując, ANSYS DesignXplorer jest oprogramowaniem optymalizacyjnym, które dzięki zastosowaniu metod planowania eksperymentu i powierzchni odpowiedzi, dostarcza szybko i przejrzyście wszelkie wymagane informacje o konstrukcji.


Dodatkowe informacje o produkcie na stronach producenta:
http://www.ansys.com/products/designxplorer.asp