Put ka primjeni numeričkih metoda optimiranja i parametrizacije na složenije modele Igor Pehnec Split, 26. - 30. svibnja 2014.
Put ka primjeni numeričkih metoda
optimiranja i parametrizacije na
složenije modele
Igor Pehnec
Split, 26.-30. svibnja 2014.
Pregled prezentacije
• Uvod• 3D digitalizacija• Parametrizacija• Optimizacijske metode• Genetski algoritam – operatori• Cluster• Primjer: lopatice, oštećenja, komfor• Parametrizacija složenijih geometrija• Topološko optimiranje• Rezultati topološkog optimiranja• Znanstveni doprinosi rada
2
Optimiranje u mehanici krutih i
deformabilnih tijela
• 3D digitalizacija
• Parametrizacija
• Optimiranje
• Reverzno inženjerstvo
3
Princip rada 3D skenera
4
Parametrizacija
• Bezier krivulja i ploha
B - Bernsteinov polinom
Pi – kontrolne točke aproksimacije
n – broj točaka aproksimacije
t – interni parametar 0<t<1
5
1
,
0 0
!1
! !
n nni
i n i i
i i
nP t B t P t t P
i n i
n
i
m
j
i
m
j
n
i PyBxByxP0 0
,
Parametrizacija
6
• B – krivulje
N – bazne funkcije
t – krivolinijska varijabla pozicijeti – čvorovi n – stupanj krivulje
Pi – kontrolne točke aproksimacije
• lokalni utjecaj, poštujući zadani stupanj krivulje, glatkoću i točke koje opisuje.
• B – ploha
,
0
n
i n i
i
P t N t P
1
,0
1,
0,
i i
i
t t tN t
inače
1
, , 1 1, 1
1 1
i jii j i j i j
i j i i j i
t tt tN t N t N t
t t t t
0, 0
, 11
1 1 1
i
i d
i dt d i n
n d
n i n d
, ,
0 0
,n m
n m
j d j d ij
i j
P u v N u N v p
1 d n
Parametrizacija rubova
7
Automatsko dodavanje točaka na spojevima krivulja osigurava kontinuitet.
Adaptivan broj krivulja (ploha) u nizu, njihov stupanj i pozicije te položaj kontrolnih točaka.
Parametrizacija rubova
8
Optimizacijske metode
• Gradijentne
• Ne gradijentne
• Evolucijske
Genetski algoritam: populacija, generacije, mutacija, križanje…
9
Predloženo rješenje
Analiza
Funkcionalnost
Optimizator
Kazneni GA operator
• GA – prerana konvergencija
• Ekvivalentne jedinke kažnjavaju se određenim dodatkom na funkciju cilja:
10
Φ(x)
x
Jedinka 1
Jedinka 2
Jedinka 3
Jedinka 4
Kodirana domena
J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 ….
Jedinke J2, J5 i J7 su ekvivalentne, a J1 i J3 daju najmanju funkciju cilja
Sljedeća generacija:
Je1 Jm2Je3 Jk4-8 Jm5Jk6-9 Jm7…. ….
Je – elitne jedinke
Jk – jedinke nastale križanjem
Jm – jedinke nastale mutacijom
Kazneni GA operator
11
01
02
03
04
05
06
07
08
09
010
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
021
022
023
024
025
026
027
028
029
030
041
042
043
044
045
046
047
048
049
050
041
Redni broj
elementa
Binarni kod
elementa
11
12
13
04
05
06
07
08
09
010
011
012
113
114
115
116
117
018
019
020
031
032
133
134
135
136
137
038
039
040
141
142
143
044
045
046
047
048
049
050
Jedinka 2Jedinka 1
11
12
13
04
05
06
07
08
09
010
111
112
013
014
015
016
017
118
119
120
031
032
133
134
135
136
137
038
039
040
141
142
143
044
045
046
047
048
049
050
Usporedba = |Jedinka 1 - Jedinka 2|
031
032
033
034
035
036
037
038
039
040
021
022
023
024
025
026
127
128
129
130
021
022
023
024
025
026
127
128
129
130
Kazneni GA operator
12
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96
Populacija
Generacija
Ekvivalentne jedinkepo generaciji - bezkazne razlicitosti
Ekvivalentne jedinkepo generaciji sakaznom različitosti
Cluster - paralelizacija
13
Optimizator – generira varijable optimiranja
.net klijent – poziva servise
Servisi - izvršavaju zadani set naredbi (analizu konačnim elementima za
promijenjenu geometriju)
Ulazni podaci (promjena geometrije) za analizu konačnim elementima
Izlazni podaci (rezultati analize konačnim elementima na lokalnim servisima)
«Data mining» (obrada rezultata analize)
Parametrizacija geometrija (Level set funkcije)
Provjera funkcije cilja (minimum volumena uz ograničenje naprezanja ili minimum podatljivosti uz ograničenje volumena)
.net CLIENTpokreće servise na kojima se izvodi analiza konačnim
elementima
Periodična provjera zauzetosti pojedinog servisa, za slobodni
servis šalje se novi zahtjev
Definiranje krajnjih adresa servisa i parametara zahtijeva servera i
servisa za pokretanje
Nakon pokretanja definiranje servera i servisa kao «zauzeti»
Postavljenje klijenta za asinkrono izvođenje pojedinog servisa
Asinkrono izvođenje pojedinog servisa
Kada servis završi, prekid asinkronog izvođenja pojedinih servisa, te
postavljanje servisa na «ne zauzeto»
SERVISI
Pozivanje servisa za analizu konačnim
elementima,...
SERVISI
- definirati broj servisa, klasu, servis host te
adrese servera i servisa- definirati servisne upute
i naredbe koje servisi izvršavaju
SERVISIImplementirati naredba koje treba izvršavati servis
Zadati niz naredbi kako bi se pokrenuo proračun konačnim elementima u ADINA programskom paketu za svaki set varijabli u optimizacijskom
ciklusu
Otvoriti ADINA program, ukoliko već nije otvoren
Učitati model koji se želi optimirati
Promijeniti geometriju modela, promjenom materijala pojedinog konačnog elementa
Zadati niz naredbi ili poruka kroz
vanjsku aplikaciju u svrhu
pokretanja servisa Pokrenuti proračun konačnim elementima
Sačuvati izlazne podatke MKE proračuna ADINA-e
Lopatica vjetroturbine
14
Input
CFD
analyzes Output
Bezier
control
points
Airfoil
points
Calculating lift and drag
Calculating
excellence
Optimizer
Optimizacija aeroprofila
15
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 5 10 15 20 25
Angle of Attack
Cl
/ C
d
Detekcija oštećenja na lopatici
vjetroturbine
16
Komfor
• Optimalna raspodjela pritisaka
17
Paramerizacija složenijih geometrija
18
Topološka optimizacija 2D konzole
opterećene silom na kraju– Optimalna preraspodjela materijala
• Minimizirati masu uz ograničenje nosivosti
• Minimizirati podatljivost uz ograničenje volumena…
• Neka diskretna rješenja:
19
F
2
1
F
2m
0.5m
0.5m
A
B
1
2
α F
A
α
2m
0.5m
F
2m
0.5mB
α
a b c
h
a
d
Topologija
• Topologija povezanost elemenata sustava
• Topološkim optimiranjem mijenja se struktura domene
• Optimiranje topologije: dva nepoznata spregnuta polja (naprezanja i oblik-raspodjela materijala)
• Topološko optimiranje – multidisciplinarno
20
Topološko optimiranje
• Evolutionary structural optimization (ESO) metoda
na mjestima gdje je metoda konačnih elemenata dala manja naprezanja, uklanja (gricka) materijal.
21
Topološko optimiranje
• Bubble metoda: – definiraju se
praznine
– mijenja se veličina praznina u promatranoj domeni kako bi dobili optimalni oblik.
22
Topološko optimiranje• Solid Isotropic Material with
Penalization (SIMP)– optimiranje raspodjele materijala.– varijabla koja govori o raspodjeli materijala je
krutost materijala– krutost može poprimiti vrijednosti izotropnog
materijala (ima materijala - 1) i nulu (nema materijala).
– Binarni problem (0 i 1) relaksira se u kontinuirane varijable penalizacijom
– Gušća mreža KE – bolja točnost• pojava vrlo tanke mrežaste strukture
– Uvode se ograničenja: kontrola opsega, metoda ograničavanja gradijenata, filtri…
23
0 0 1X d V X
0pD X X D
Topološko optimiranje• Level set
– Implicitna ploha u n+1 D, čija izo linija opisuje željenu geometriju u n D
– Definiranje područja
– Težinska funkcija
• Promjenom implicitne plohe u vremenu (u n+1 D) mijenja se geometrija u n D (promjenom izo linije) - H-J jednadžba:
24
Φ , 0t x
Φ( , )Φ( , ) 0
t dt
t dt
x xx
1 0,
0 0
ako jeH
ako je
xx
x
1 ( ) 0,
0 0
ako je x
ako je
x
x
Φ , 0t x
Rezultati topološkog optimiranja LS
metodom
25
• 6x6 13.6% volumena pune ploče (GEN 500, POP 108) • 12x12 11.8% volumena pune ploče (GEN 100, POP 864) • 24x24 21% volumena pune ploče (GEN 200, POP 1152) - mala
populacija
Rezultati topološkog optimiranja LS
metodom
• 24x24 10,3% volumena od uz početno rješenje (GEN 100, POP 1728)
26
Rezultati topološkog optimiranja LS
metodom
• 48x48 populacija 6192, 200 generacija, vrijeme trajanja 1320 sati (55 dana)
27
Zaključak i znanstveni doprinos
28
29
Hvala na pažnji!
Pitanja???