В статье дано определение итерационного процесса проектирования и кратко изложены различные методы по его оптимизации. Предложена методика повышения качества проектирования в Siemens NX.
Ключевые слова :автоматизированное проектирование, машиностроение, жизненный цикл, моделирование, топологическая оптимизация.
- Описание итерационного процесса проектирования
Итеративный (итерационный) процесс — это подход, который используют дизайнеры, разработчики, ученые и другие лица для постоянного улучшения дизайна, продукта или иного результата деятельности. Например, создается прототип какого-либо изделия, его тестируют, вносят изменения, тестируют повторно и так до получения удовлетворительного результата. Такой подход подходит для улучшений дизайна, программного обеспечения, проектируемых изделий и др.
Целью итерации является приближение к искомому решению с каждым новым повторением. В итоге изначальная идея (концепт) и полученное решение должны сойтись, то есть, получен искомый результат.
Сама итерационная модель была разработана в противовес «водопадному» подходу (waterfall). Так как он был последовательным, не являясь адаптивным, то не имел возможностей оперативно устранять недостатки проектирования или разработки. И НАСА в 1960х гг. в рамках проекта Меркурий и впоследствии «Спейс шаттл». В настоящее время подход широко распространился на многие производственные отрасли.
Итерационный процесс позволяет быстро доработать и пересмотреть продукт, а если имеется исходная версия, то и очень быстро, но характеристики и функции все еще приходится постоянно определять. Такой подход позволяет получать быстроадаптивные к практически любой ситуации изделия. Вот некоторые из преимуществ итеративного процесса: [1]
— высокоэффективен. Позволяет поэтапно подходить к любому из этапов жизненного цикла изделия и тем самым эффективно распределять рабочую нагрузку;
— любая итерация основана на улучшениях, выявленных в прошлом цикле, а постоянное тестирование ясное и структурированное представление объекта. Каждая итерация — веха, что позволяет отслеживать изменения практически в реальном времени как вам, так и клиентам;
— удобство использования. Значительное упрощение тестирования и отладки всех процессов, а также позволяет избежать серьезных проблем при начальной проработке изделия;
— удобное управление и расчет рисков;
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что итерационный процесс проектирования практичен и удобен, а его автоматизация поможет ускорить разработку и сделать ее более устойчивой.
- Работа в кастомизированном модуле топологической оптимизации.
На данный момент различные алгоритмы топологической оптимизации активно применяются в различных коммерческих программных продуктах, в том числе и в Siemens NX. Реализация возможности топологической оптимизации была добавлена в версии 8.0. Модуль базируется на алгоритмах, взятых из FE-Design Tosca Structure software, которые были адаптированы для работы под управлением Siemens NX. Расчеты оптимизации у FE-Design базируются на SIMP методе, что автоматически означает использование его и для наших нужд. Расчеты осуществляет модуль Tosca_perl, для которого NASTRAN строит карты для каждой итерации.
Основная работа проходит в модуле задания параметров оптимизации, таких, как нагрузки, ограничения и настройки создания оптимизационной модели по расчетным данным, а также построение КЭ сетки. Меню приложения отображено на рис. 1. Общая информация о назначении кнопок получается из подписей напротив активных элементов.
Рис. 1. Интерфейс приложения
Для успешного построения оптимизированной модели необходимо правильно задать все нагрузки и ограничения, а для ускорения расчетов выбрать оптимальное число итераций и размер КЭ сетки. В случае некорректных значений сходимость решения достигнута не будет и получить оптимизированную модель будет невозможно.
Порядок действий работы с программой:
— открытие рабочей детали в модуле работы с симуляциями и получение лицензии соответственно или создание новой КЭ модели и симуляции;
— создание конечно-элементной сетки и задание ее материала;
— добавление ограничений и нагрузок (силы);
— выбор целевой задачи оптимизации (минимизация объема или максимизация жесткости) и в зависимости от этого задание целевых ограничений;
— добавление функциональных ограничений (не более 5), также зависит от поставленной задачи по оптимизации;
— выбор параметров сглаживания и формата выходной расчетной модели, количества итераций и скорости ее протекания (влияет на точность получаемых результатов расчета);
Если все параметры были заданы корректно и в результате работы решателя не произошло ошибок, то результатом будет выходная модель, например, в формате STL, которую можно наложить на исходную из приложения для наглядности (рис. 2).
Рис. 2. Выходная модель на фоне исходной
- Выводы
В ходе выполнения работы были рассмотрены пути и возможные решения по проведению оптимизации процесса проектировании. В программе Siemens NX была выполнена задача по созданию оптимизированной модели при помощи метода топологической оптимизации. Был разработан алгоритм работы программы, реализованы интерфейс программы, функциональная часть. Поставленные цели и задачи были выполнены, программа может использоваться на машиностроительных предприятиях.
Литература:
- The Power of Iterative Design and Process — Текст: электронный // Smartsheet: [сайт]. — URL: https://www.smartsheet.com/iterative-process-guide.
- Johnsen S. Structural topology optimization: Basic theory, methods and applications / S. Johnsen — Норвежский университет науки и технологии, 2013. — 199 p. — Текст: непосредственный
- Edwards C. S. An evaluative study on ESO and SIMP for optimising a cantilever tie–beam / C. S. Edwards, H. A. Kim, C. J. Budd — Springer-Verlag, Berlin, 2007. — p. 403–414. — Текст: непосредственный
