HEEDS entdecke bessere Designs, schneller, mit Design Exploration und Optimierung

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1 HEEDS entdecke bessere Designs, schneller, mit Design Exploration und Optimierung Global Simcenter Portfolio Development Linz, Realize innovation.

2 Mehr Innovation durch Design Exploration "Jedes Unternehmen, das mit seiner Technologie stagniert, wird von seinen Konkurrenten übertroffen" Elon Musk Tesla-SpaceX Page 2

3 Mehr Innovation durch Design Exploration Sind Sie in der Elektronikindustrie und können Sie die Kühlung eines bestimmten Elektronikdesigns genau vorhersagen? Glückwunsch! Aber was ist mit einer automatisierten Verbesserung der Kühlung? Page 3

4 Mehr Innovation durch Design Exploration Herausforderung: Minimiere Gewicht der Kühlkörper Steigere die Kühlleistung um exakt 25% Designraum (16 Variablen) 4 Wochen Zeit 4 Wochen = Varianten Input Simulation Output Ziel erreicht? Page 4 Manuelle Iteration

5 Mehr Innovation durch Design Exploration Input Simulation Output Page 5 Automatisierte Suchalgorithmus

6 Mehr Innovation durch Design Exploration 51% weniger Gewicht 25% bessere Kühlung Feasible Designs Infeasible Designs Baseline Design 2 Tage = 200 Varianten (x10) Besseres Design Neue Erkenntnisse Neues Design Design Variant Number Page 6

7 Mehr Innovation durch Design Exploration Sind Sie in der Pumpenindustrie und können Sie die Effizienz eines bestimmten Pumpendesigns genau vorhersagen? Glückwunsch! Aber was ist mit einer automatisierten Verbesserung der Effizienz? Page 7

8 Mehr Innovation durch Design Exploration Benötigte Leistung um 6% reduziert Baseline Design Flow rate = 400 m 3 /h Head = 30 m Power required = 38.4 kw Verbessertes Design Flow rate = 400 m 3 /h Head = 30 m Power required = 36.0 kw Page 8

9 Wertschöpfung Neupositionierung der Simulationsstrategie für Innovationen Innovative Firmen agieren hier, um bessere Produkte zu entwickeln Die meisten Firmen agieren in diesem Bereich, um Kosten zu sparen Validate Troubleshoot Predict Automate Explore REACTIVE PROACTIVE EXPLORE DIGITALLY, CONFIRM PHYSICALLY SIMULATION PURPOSE Page 9

10 Möglichkeiten der Design Exploration Traditionelle Simulation findet die Lösung zu bekannten Werten von Eingabeparametern. Traditionelle Simulation: Eingabe Lösung Design Exploration: Eingabe Lösung Design Exploration findet die passenden Werte von Eingabeparametern, die zu einer gewünschten Lösung führen. Page 10

11 HEEDS entdecke bessere Designs, schneller Design Space Exploration: Prozess-Automatisierung (automatischer Aufbau virtueller Prototypen) Verteilte Berechnung (beschleunigte Berechnung der virtuellen Prototypen) Effiziente Suche nach besseren Design-Alternativen Einblick und Verbesserung zum Sicherstellen einer zuverlässigen Produktperformance Page 11

12 HEEDS entdecke bessere Designs, schneller Stoßfänger (MAGNA) 16 Pendulum Max Outboard Parametrisches CAD Simulation Analyse Tool xy Multiple load cases Intrusion Page 12 Verbessertes Design 32% Reduktion der Masse Erfüllung aller Crash-Vorgaben

13 Paradigmen Wechsel in der Design Exploration Traditional Process Define Objectives Simplify Model Select Algorithm Tune Algorithm Conduct Search Interpret Results Baseline model Variables Responses Objectives Constraints Either: Limit Variables and/or Fit Response Surface Model (DOE/RSM) Gradient search Genetic algorithm Particle swarm Ant colony Simulated anneal Etc. Population size # of generations Crossover rate Mutation rate Selection type Etc. Predicted Actual Modern Process (HEEDS) Define Objectives Automated Search Interpret Results Baseline model Variables Responses Objectives Constraints Select number of evaluations Run optimization Optionally: Study robustness & sensitivity of optimal design(s) Zeitersparnis 13 Page Entdecke bessere Designs, schneller

14 ? Page 14

15 HEEDS - Suchstrategie Analogie zum Bergsteigen Unbekanntes Terrain (Design Space): Icy? Rocky? Walking path? Steep cliff face? Fühlen Sie sich sicher, wenn Sie sich auf eine Strategie und eine Ausrüstung festlegen müssten? Crevasse? Heavy snow? Loose gravel? --- Das ist der traditionelle Ansatz Sie brauchen einen SHERPA, der alle Strategien kennt, der alle Ausrüstung hat und der den Ansatz den jeweiligen Gegebenheiten anpasst --- Das ist der moderne HEEDS Ansatz Page 15

16 HEEDS - Suchstrategie Hybrid: Sherpa Suchalgorithmus Mischung und gleichzeitige Nutzung verschiedener Suchalgorithmen Globale und lokale Suche simultan Icy? Rocky? Crevasse? Walking path? Heavy snow? Steep cliff face? Loose gravel? Nutzung der besten verfügbaren Methode Adaptiv: Methode passt sich dem Designraum automatisch an Effizient bei einfachen und komplexen Designräumen Kosteneffizient bei komplexen Systemen Page 16

17 HEEDS Suchstrategie Sie wollen zu Siemens nach Linz, wissen aber nicht, wo Sie sind was brauchen Sie? Global/local search Page 17

18 Benchmark-Ergebnisse Herausforderung: Finde den kleinsten Wert mit einer minimalen Anzahl von Simulationen Ergebnis: In 2000 Evaluationen, SHERPA war >10% besser als jeder andere Ansatz und >30% besser als der der beste andere hybride Algorithmus Graph showing function for two variables (n=2) Function : f x n ( ) = -å x i sin x i i=1-500 x i 500 Minimum : f = n ( ) Results for n = 20 Competitive Hybrid Page 18 Average values for 25 optimizations from random baselines Design space points evaluated by HEEDS (SHERPA)

19 HEEDS - Offenheit Page 19

20 Erfolgsgeschichten mit HEEDS

21 Erfolgsbeispiel: Verbesserung einer Motorenlagerung Herausforderung: Re-Design der Gummilagerung für eine Maßgeschneiderte Steifigkeit und besseren Dämpfung. Solid line = Target Dashed line = Actual Page 21

22 Erfolgsbeispiel: Verbesserung einer Motorenlagerung Prozess Automatisierung Simcenter 3D Ziel: Anpassung der bestehenden Kraft- Verschiebungskurve und an die Zielkurve Designraum: 11 Geometrische Parameter der Lagerung Parametrische CAD Geometrie HEEDS Intelligente Suche Parametrische FEM Spannungsanalyse 250 Evaluierungen Page 22

23 Erfolgsbeispiel: Verbesserung einer Motorenlagerung Parallelisierung Simcenter 3D Desktop Windows Node 4 HPC Linux Nodes Running Abaqus cores on each node Ziel: Anpassung der bestehenden Kraft- Verschiebungskurve und an die Zielkurve Designraum: 11 Geometrische Parameter der Lagerung HEEDS Intelligente Cluster Head Node Design Suche 250 Evaluierungen Page 23

24 Erfolgsbeispiel: Verbesserung einer Motorenlagerung Effiziente Suche Input Parameter Output Parameter Ergebnis: Bereits nach 50 Evaluierungen wurde ein Design gefunden das die Zielkurve erreicht Anpassung Suche Improved Design Das verbesserte Design deckt die Zielkurve bei hohen und kleinen Verformungen voll ab In two days, we found a much better design than achieved in over two weeks of manual iteration. Page 24

25 Erfolgsbeispiel: Verbesserung einer Motorenlagerung Visualisierung Initial Design Ergebnis: Bereits nach 50 Evaluierungen wurde ein Design gefunden das die Zielkurve erreicht Das verbesserte Design deckt die Zielkurve bei hohen und kleinen Verformungen voll ab Improved Design In two days, we found a much better design than achieved in over two weeks of manual iteration. Page 25

26 Erfolgsbeispiel - Johnson Controls Autom. Designstudie - Öffnungsmechanik Brillenablage Herausforderung: Verbesserung Öffnungsmechanik hinsichtlich Zeit, Geschwindigkeit und Aufwand/Kosten. 10g Anforderungen 30g Öffnungszeit > 0.9s Einhalten der FMVSS201 Vorschriften 5 unterschiedliche Konfigurationen Ergebnis: Eine Öffnungsmechanik für alle 5 Konfigurationen Verbesserte Öffnungszeit: 0.859s zu 0.911s Evaluierung von 2 Woche auf 24 Stunden (8 Std. Set-Up, 16 Rechenzeit) HEEDS, coupled with MathCad, not only automates the engineering design process, saving valuable engineering time, it also quickly finds optimal solutions, saving money. Barry Frost, JCI Page 26

27 Erfolgsbeispiel - Airbus Automatisierte Designstudie - Lüftungsdüse Innenkabine Passagierflugzeug - Lüftungsdüse zur Klimatisierung Herausforderung: Verbesserung der Düse hinsichtlich thermischen Komfort und Druckverlust Mixed air to ice protection system Page 27

28 Beispiel - Airbus Automatisierte Designstudie - Lüftungsdüse Referenz Design Exploration 1m Change design variables Monitor responses target 300 cm^2 Max. Geschwindigkeit 0.8 m/s < 0.5 m/s Zielbereich (1m) Max. Druck unter 300 Pa 175 Design Variablen In 4,75 Tagen auf 96 Cores Improved design with 65% lower pressure drop In less than one week, our HEEDS-based design exploration discovered multiple designs with significant improvement in pressure loss characteristics while meeting all performance requirements (air flow rate, air velocities, core area of the air jet). Page 28

29 Erfolgsbeispiel: Verbesserung eins Kanallüfters Herausforderung: Performanz Steigerung des Lüfter Baseline Design: Flachen Schaufeln 2 Ziele Massenstrom: 2.5 kg/s bei 542W Leistungsreduktion bei min. gleichbleibendem (<=) Massenstrom 17 Design Variablen Anzahl der Schaufeln, Drehzahl, 5 Schaufel-Geometrievariablen Baseline Design Mass flow rate = 2.5 kg/s Power = 542 W Number of Blades = 10, Geometry = Flat Rotation Rate = 955 rpm Ergebnis 55% weniger Verbrauch Optimized Design Mass flow rate = 2.6 kg/s Power = 242 W Number of Blades = 6, Geometry = Curved Rotation Rate = 711 rpm 29 Page 29

30 Erfolgsbeispiel: Verbesserung Kaffeemühle Herausforderung Reduktion: 1. Geräuschpegels 2. Gewicht 3. Spannungen Designraum 5 Geometrie Variablen 300 Evaluierungen Page 30

31 Erfolgsbeispiel: Verbesserung Kaffemühle Herausforderung Prozess Automatisierung Reduktion: 1. Geräuschpegels Simcenter 3D Simcenter 3D Simcenter 3D 2. Gewicht 3. Spannungen Existing Design Better Design Designraum 5 Geometrie Variablen 300 Evaluierungen Auger Geometry Pre-processing & Solve Post-processing HEEDS Intelligent Design Search Page 31

32 Erfolgsbeispiel: Verbesserung Kaffeemühle Ergebnisse: Effiziente Suche Design ID: 290 Best Design Acoustic Power Curve Fit RMSE= Acoustic Power RMS=12.7 W ( 98%) Max Sound Level= 69.5 db ( 24%) Mass = kg ( 7%) Max Stress = 11.6 MPa ( 78%) In just eight hours, we were able to evaluate 300 design variants and find a good solution to our performance challenges. Page 32

33 Erfolgsbeispiel - EDAG Engineering GmbH Herausforderung Gewichtsreduktion Rohkarosse Randbedingen Fertigungsrestriktionen Erhalt der Systemlevel und Gesamtfahrzeuganforderungen (Crash, NVH, Lebensdauer, usw.) Limit. Kostenanstieg (max. 10%) Designraum: 484 Variablen 250 Evaluierungen Page 33

34 Erfolgsbeispiel - EDAG Engineering GmbH Ergebnis 18% Gewichtsreduktion der Rohkarosse Bei 5% Kostenanstieg HEEDS allowed us to meet DFSS requirements in record time. Javier Rodriguez, EDAG Page 34

35 Erfolgsbeispiel (Non CAE): Lager Optimierung Herausforderung Effizienzsteigerung Lagerauslastung Designraum: 7 Variablen (Mitarbeiter, Arbeitsraum, Transporter Frequenz, usw.) Randbedingungen: Arbeitsraum, Arbeitskapazitäten Ergebnis 13,8% Effizienzsteigerung Lagerauslastung 20,1% Palettenlagerauslastung 12,5% Transporter Effzienz Page 35

36 Erfolgsbeispiel: Verbesserung Mischkessel Herausforderung Besseres Design für eine kürzere Mischzeit mit geringerem Energieverbrauch Page 36

37 Erfolgsbeispiel: Verbesserung Mischkessel Herausforderung Process Automation Besseres Design für eine kürzere Mischzeit mit geringerem Energieverbrauch Designraum 8 Schaufel Geomtierparameter Ziel Max. Vermischung/Zeit Min. Vebrauch Page 37

38 Erfolgsbeispiel: Verbesserung Mischkessel Herausforderung Besseres Design für eine kürzere Mischzeit mit geringerem Energieverbrauch Ergebnis - 50% Mischzeit - 7-fache geringerer Verbrauch Page 38 Baseline Design Design #63

39 HEEDS Höhere Produktreife in kürzerer Zeit Design Exploration und Optimierung für Jedermann Mehr Freiraum für neue Ideen Entdecke bessere Designs, schneller, mit Design Exploration und Optimierung Belastbare Daten und Fakten für bessere Entscheidungen Page 39

40 Simcenter Portfolio System Simulation Simcenter Amesim, Simcenter ESD, Simcenter System Synthesis, Prescan CAE Simulation Simcenter 3D, STAR-CCM+, NX Nastran, FEMAP, Madymo, SPEED, BDS Physical Testing LMS Test.Lab, LMS SCADAS, LMS Test.Xpress, LMS Tecware Exploration & Analytics - HEEDS Data & Process Management - Teamcenter Page 40

41 HEEDS entdecke bessere Designs, schneller, mit Design Exploration und Optimierung Global Simcenter Portfolio Development Linz, Realize innovation.