W wielu gałęziach przemysłu musimy sobie radzić z zwiększeniem produkcji i złożonością procesów produkcyjnych. W związku z potrzebą skrócenia procesu rozwoju produktu, zrównoważonym rozwojem i niższymi kosztami, osiągnięcie innowacyjności jest bardzo trudne. Naprzeciw tym oczekiwaniom wychodzi środowisko HEEDS.

Wstęp

HEEDS automatyzuje i przyspiesza proces przeszukiwania rozwiązań w przestrzeni projektowej. Oprogramowanie to umożliwia optymalizację geometrii na bazie wyznaczonych kryteriów, tak aby spełnić wymagania klienta (projektanta).

Dzięki środowisku HEEDS odkrywa się szybsze i lepsze projektowanie. Środowisko HEEDS zapewnia:

  • Automatyzację procesu (automatyczne tworzenie wirtualnego prototypu)
  • Rozproszone wykonanie (przyspieszone testowanie wirtualnego prototypu)
  • Efektywne przeszukiwanie (poszukiwanie lepszych alternatyw projektowych)
  • Przegląd i odkrywanie (zapewnienie rzetelnych osiągów produktu)

W poniższym artykule przedstawiona została optymalizacja rurki należąca do silnika spalinowego ciężarówki.  Ta optymalizacja została wykonana dzięki środowisku HEEDS. W tym celu potrzebne było przygotowanie analizy CFD w środowisku STAR CCM+ pod kątem minimalizacji wirów oraz otrzymania jednolitego rozkładu prędkości na wylocie z rury. Dodatkowo wymagane było wykonanie parametrycznego modelu w środowisku CAD.

HEEDS pozwala na wielokryterialną optymalizację wielu środowisk projektowo – obliczeniowych dzięki otwartej platformie umożliwiającej spinanie ze sobą dowolnego środowiska CAD z dowolnym solwerem obliczeniowym (FEM/CFD) i nie tylko. Na rys.1 przedstawiono szeroką paletę systemów CAD/CAE/CFD, które mogą być ze sobą łączone w środowisku HEEDS.

systemy dostępne do połączenia w środowisku heeds

Rys.1 Lista dostępnych systemów do połączenia ze sobą w środowisku HEEDS

Wymiana danych w środowisku HEEDS odbywa się poprzez użycie prostego schematu blokowego, który pozwala na wymianę danych wejściowych i wyjściowych pomiędzy wybranymi systemami, co zostanie przedstawione w dalszej części artykułu.

Przygotowanie parametrycznej geometrii CAD

Przygotowana parametryczna geometria CAD rurki wykonana zostało w środowisku NX CAD. Do dyspozycji mamy wiele zmiennych, które określają kształt końcowy rurki. Do optymalizacji wykorzystano 7 zmiennych X1, X2, Y1, Y2, R1, R2 oraz kąt pochylenia płaszczyzny, na której znajduje się szkic środkowy rurki (rys.2).

Parametryczny model rurki oraz 7 zmiennych do jej optymalizacji.

Rys.2 Parametryczny model rurki oraz 7 zmiennych, które posłużą do jej optymalizacji

Analiza przepływu w środowisku STAR CCM +

Drugim krokiem było przygotowanie obliczeń CFD w środowisku STAR CCM +. Zanim przejdziemy do procesu optymalizacji, musimy w środowisku przygotować bazową analizę przepływową (rys.3), która będzie plikiem wsadowym do środowiska HEEDS. W analizie CFD zdeklarowano dwa parametry, które posłużą nam jako pewne kryteria w dalszym procesie optymalizacji. Parametrami tymi było:

  • Zawirowanie przepływu na wylocie
  • Równomierność przepływu
Analiza przepływu w star ccm+

Rys.3 Przygotowanie analizy przepływu w środowisku STAR CCM +  

Optymalizacja w środowisku HEEDS

Trzecim krokiem, a zarazem najbardziej kluczowym, jest spięcie ze sobą oprogramowania NX CAD oraz STAR CCM+ poprzez automatyzację, wymianę danych pomiędzy systemami i przeprowadzenie optymalizacji przy użyciu algorytmu SHERPA [1] na bazie wielokryterialnej metody typu Pareto.  Dodatkowo HEEDS oprócz metody SHERPA zapewnia inne możliwe algorytmy optymalizacji takie jak:

MO-SHERPA – MULTI–objective optimization

DOE – Design of Experiments

R&R – Reliability and Robustness

RSM – Response Surface Method

Design Sweep

Poniżej przedstawiono przykład wykorzystania algorytmu SHERPA zastosowanego do znalezienia minimalnej wartość funkcji przy najmniejszej liczbie próbkowania oraz porównanie go z innymi algorytmami dostępnymi na rynku (rys. 4).  Jak widać na rys. 4. wystarczyło wykonanie już 2000 próbkowań, aby znaleźć optymalne minimum. SHERPA wykonał >10% szybciej niż każdy inny algorytm i  >30% lepiej niż  algorytm hybrydowy. Algorytm SHERPA bazuje na połączeniu wszystkich zalet dla metodyki hybrydowej oraz adaptacyjnej.

Wyznaczenie minimum funkcji dla różnych algorytmów

Rys. 4 Wyznaczenie minimum funkcji dla różnych algorytmów

Wróćmy do ustawienia odpowiednich bloków odpowiadających danemu oprogramowaniu w środowisku HEEDS oraz spięciu ich ze sobą wraz z wymianą danych wejściowych i wyjściowych (rys. 5-7).

Schemat blokowy łączenia systemów w środowisku heeds.

Rys.5 Schemat blokowy łączenia systemów w środowisku HEEDS

Pliki wejściowe dla środowiska HEEDS

Rys. 6 Pliki wejściowe dla środowiska HEEDS

Pliki wyjściowe dla środowiska HEEDS.

Rys.7 Pliki wyjściowe dla środowiska HEEDS

Kluczowym aspektem w procesie optymalizacji w środowisku HEEDS jest również wyznaczenie zakresu przeszukiwania parametrów obliczeniowych tak, aby system wiedział w jakim zakresie może przeszukiwać naszą geometrię (rys. 8).

Zakres przeszukiwania parametrów w środowisku HEEDS

Rys.8 Zakres przeszukiwania parametrów w środowisku HEEDS

Końcowym etapem jest ustawienie metody optymalizacji typu Pareto. Wyjaśnijmy sobie w kilku zdaniach, czym jest metoda Pareto. Mając dany zbiór możliwych rozwiązań danego zagadnienia i sposób ich oceny, możemy wyznaczyć tzw. front Pareta (nazywany także zbiorem Pareta), czyli zbiór rozwiązań optymalnych w sensie Pareta. Poprzez ograniczenie zbioru wszystkich możliwych rozwiązań do podzbioru rozwiązań Pareta optymalnych, wybór końcowego rozwiązania przez osobę decydującą ograniczony jest do tego podzbioru, co ułatwia podjęcie decyzji [2].

Wykres frontu Preto

Rys. 9. Wykres frontu Pareto

Definiowanie metody optymalizacji oraz ustawiania kryteriów dla algorytmu obliczeniowego SHERPA

Rys. 10 Definiowanie metody optymalizacji oraz ustawiania kryteriów dla algorytmu obliczeniowego

Ostatnim etapem jest post- procesing, czyli wyodrębnienie najlepszego kandydata. Odbywa się to dzięki intuicyjnemu interfejsowi graficznemu, który pokazuje w formie prostych wykresów parametry, które miały największy i najmniejszy wpływ na naszą optymalizację wraz z przykładowym rozkładem graficznym prędkości w rurce.

Rozkład graficzny prędkości wraz z wykresem parametrów i ich wpływ na optymalizację w HEEDS

Rys. 11 Rozkład graficzny prędkości wraz z wykresem parametrów i ich wpływ na optymalizację w środowisku HEEDS

Dzięki zastosowaniu środowiska HEEDS jesteśmy w stanie bardzo szybko znaleźć satysfakcjonujące rezultaty optymalizacji.  Środowisko to pozwala skupić się na wyborze najlepszego wariantu projektu, nie na wirtualnym procesie testowania.

HEEDS wykonuje optymalizację niezależnie od złożoności i ilości parametrów. Wystarczy tylko określić czas oraz liczbę przeszukiwania modelu, jaki system ma poświęcić, aby otrzymać odpowiedź, a algorytm SHERPA inteligentnie dostosowuje strategię przeszukiwania w celu znalezienia najlepszego rozwiązania tak jak to zrobił dla naszej rurki (rys. 12).

Rozkład graficzny prędkości na wylocie z rury oraz kształt rurki przed i po procesie optymalizacji

Rys. 12. Rozkład graficzny prędkości na wylocie z rury oraz kształt rurki przed i po procesie optymalizacji.

Opracował: Marek Rudy