Co-simulatie van mechatronische systemen op systeemniveau voor verkenning van de ontwerpruimte

Kostengestuurde ontwerpoptimalisatie helpt bedrijven hun nettowinst te verhogen door de productie- en planningskosten te verlagen vanaf de ontwerp- tot de massaproductiefase. Het gebruik van nauwkeurig prestatie en kostenramingsmodellen in de ontwerpfase is essentieel om kostenoptimale producten te vervaardigen die voldoen aan de ontwerpspecificaties. Daarom hebben de ontwikkelingen in de nauwkeurigheid en efficiëntie van het modelleren, simuleren en optimaliseren van de producten, rekening houdend met prestatie- en kostengerelateerde aspecten, een diepgaand effect op het eindproduct.

Numerieke modellering en simulatie van mechatronische systemen verlaagt de kosten door de dure testprocedures in de ontwerpfase te minimaliseren. Een multi-domein benadering is echter nodig, aangezien multi-fysieke subsystemen met elkaar interageren. Het modelleringsformalisme over de subsystemen kan ook verschillen naast het verschil in fysiek gedrag, afhankelijk van het simulatiedoel en het vereiste detailniveau. Sommige subsystemen vereisen een gedistribueerde parameterbeschrijving als een nauwkeurige geometrische representatie belangrijk is, terwijl voor andere geconcentreerd parameterbeschrijving volstaat. Met deze heterogeniteit kan elk subsysteem profiteren van een speciale strategie voor modellering en oplossing. Omdat de ingenieur of het simulatie-algoritme iets op de hoogte is van de dynamiek van elk subsysteem, kan deze informatie worden benut door een oplossing met meerdere snelheden toe te passen.

Co-simulatie is een speciale techniek waarmee elk subsysteem kan worden opgelost door een toegewijde rekener en de invoer-uitvoergegevens tussen subsystemen tijdens runtime worden gekoppeld. Co-simulatie maakt ook adaptieve stappenmethoden mogelijk voor communicatie en oplossing met de veranderingssnelheid in de systeemdynamiek. De state-of-the-art adaptieve co-simulatie-algoritmen gaan ervan uit dat elk subsysteem een black-box is en profiteren niet voldoende van bestaande dynamiek of simulatiegegevens uit het verleden. Dit boek stelt een adaptief algoritme voor om tijdstappen vooraf te definiëren alvorens een co-simulatie uit te voeren met behulp van de richtingsafgeleiden van subsystemen en vorige co-simulaties met vergelijkbare dynamiek. Deze offline aanpassingsmethodiek versnelt de oplossing en zorgt voor een zekere nauwkeurigheid als er voldoende iteraties worden gegeven. Bovendien is een adaptief algoritme ontwikkeld dat de oplossingsvolgorde selecteert in seriële co-simulaties om de fout te verminderen.

De offline adaptieve co-simulatie is vooral gunstig voor het ontwerpen van ontwerpruimte verkenning waarbij het systeem herhaaldelijk wordt geanalyseerd met verglijkbare dynamiek. De waardepropositie van deze methode is gebaseerd op de aanname dat de variabelen tussen ontwerpherhalingen niet drastisch veranderen. Als deze aanname faalt, blijven de voorgestelde voordelen van de offline aanpassing van tijdstappen achter bij de aanpassingsmethodologieën die de tijdstappen tijdens simulatie aanpassen. Een algoritme dat de beslissing begeleidt om ofwel runtime of offline adaptatie te selecteren, wordt voorgesteld om stabiele simulaties te garanderen in ontwerpoptimalisatie. Het algoritme verkort de oplossing tijd in ontwerpoptimalisatie gevallen.

Ontwerpoptimalisatie rekening houdend met standaardisatie van componenten leidt tot een aanzienlijke kostenreductie van een product in massaproductie. Om kosten te besparen zonder de diversiteit van klantbehoeften op te offeren, vormen bedrijven families van vergelijkbare producten met verschillende kenmerken. In dit boek wordt een methode voor optimalisatie van productfamilies voorgesteld. De methodologie heeft tot doel de productiekosten van een bestaande productfamilie te minimaliseren door de schaalvoordelen en tegelijkertijd te voldoen aan individuele prestatiecriteria. De methodologie maakt gebruik van een geneste benadering om gelijktijdig de gemeenschappelijkheid van componenten tussen producten en componentvarianten te optimaliseren.Optimalisatie van gemeenschappen is een rekenkundig duur combinatorisch proces. De methodologie versnelt het proces door alleen de omgeving van het huidige ontwerp in de gemeenschappelijke ontwerpruimte te doorzoeken.

Het onderzoek stelt een performant kostengedreven optimalisatieraamwerk voor productfamilies voor. Het raamwerk gebruikt het kostenmodel als objectieve functie en prestatiemodellen als beperkende functies. Er wordt een vereenvoudigd generiek kostenmodel ontwikkeld dat zowel fundamentele kostenfactoren als standaardisatievoordelen omvat. Een co-simulatiebibliotheek die de voorgestelde co-simulatietechnieken uitvoert, wordt geïmplementeerd in C om de prestatiemodellen te evalueren. Een geautomatiseerde tool is ontwikkeld voor het bijwerken van multibody FE-modellen van parametrische CAD-modellen voor 3D-modellen in prestatiemodellen. Door de tools en methodologieën die in dit boek worden gepresenteerd te combineren, kunnen nauwkeurige en efficiënte simulaties worden uitgevoerd om mechatronische producten op industrieniveau te optimaliseren.