22.Создание приложения для оптимизации мехатронных узлов.
В лекции представлен пример создания самостоятельного пользовательского приложения для оптимизации корпусных деталей. Особенность разработки состоит в том, что используется метод конечных элементов, реализованный в пакете ANSYS, а также предусмотрено интерактивное взаимодействие с коммерческими CAD пакетами.
В стремлении создания автоматического генератора проектно-конструкторского решения для различных инженерных задач, появляются новые оптимизационные алгоритмы, реализованные в машинном коде. Решение отдельной задачи прочностной, тепловой или другого рода становится отдельным звеном итерационного процесса нахождения оптимального варианта. Первая задача, которая стоит перед инженером, это создание автоматического генератора расчетной модели по заданным параметрам. Но даже если она решена, встает еще одна немаловажная, это создание непосредственно оптимизационного алгоритма. Расчетные пакеты в настоящее время предлагают оптимизационные алгоритмы, заключенные внутри пакета, которые в большинстве случаев могут удовлетворить необходимость в оптимизационном инструменте. Пакет ANSYS предлагает два вида оптимизации: параметрическая оптимизация «Design Optimization» и топологическая «Topological Optimization». В параметрической оптимизации ANSYS, в свою очередь, реализованы два метода оптимизации: метод нулевого порядка «subproblem approximation» и метод первого порядка «first order method». В ряде задач возникает потребность в реализации собственного проблемно ориентированного оптимизационного алгоритма, так, например, была бы интересна реализация структурной оптимизации корпусных деталей станка. В качестве оптимизационного алгоритма можно использовать метод балансов градиента, разработанный применительно к станочным конструкциям. Отличие разрабатываемых алгоритмов состоит в их проблемной ориентации.
ANSYS является открытым пакетом для сторонних разработок как на уровне компиляции пакета, так и на уровне макрокоманд. Однако, для решения этой задачи необходимо создание независимого приложения. В целях сокращения времени и усилий разработки геометрическая модель должна передаваться извне в разрабатываемое приложение, а также решение поставленной задачи проходит в стороннем пакете. Разрабатываемое приложение содержит непосредственно в себе процедуру оптимизации и постановку задачи и в случае необходимости передает и читает информацию от внешних приложений. Ряд процедур в настоящий момент отработан и описывается в этой статье.
Геометрические модули
Первый шаг, который необходимо сделать при оптимизации деталей станка, это создание параметрической модели. Параметрическая модель осуществляет связь между параметрами, которыми описывается модель, например толщина стенок, линейные и угловые размеры, с геометрической моделью, которая моделируется автоматически.
Наиболее рациональным будет отделение модулей, создающих геометрические модели по заданным параметрам, от основной программы (разрабатываемого приложения). Таким образом, геометрические модули могут являться отдельными программами и создаваться по мере надобности, а основная программа должна иметь открытый интерфейс к этим модулям. Особые возможности позволяют реализовать современные CAD пакеты, большинство CAD пакетов в настоящее время имеют API интерфейс, который позволяет внешней программе получить практически полный доступ к инструментам CAD пакета в интерактивном режиме, посылать команды и читать данные. Для того, что бы сохранить общность независимости от каких-либо конкретных внешних программ, модуль, который осуществляет взаимосвязь между CAD пакетом и основной программой, создается как независимая внешняя программа и фигурирует как внешний геометрический модуль (CAD утилита).
Общая схема взаимодействия основной программы с внешними приложениями |