Генеративный дизайн в COMSOL® как основа для новых идей

02/11/2021

Как появляется новый дизайн, является ли он результатом творчества или процесса? Нам кажется, что изобретатели сначала создают образ нового дизайна у себя в голове, а затем берут в руки карандаши и воплощают свои идеи в жизнь. Однако на самом деле дизайнеры и инженеры сегодня могут обойтись и без карандашей, как, собственно, и без завершённой дизайнерской идеи. Они используют процесс, который позволяет находить новые идеи. Эта методика называется генеративный дизайн [1]. Генеративный дизайн — это общее название формализованного процесса проектирования с помощью специального программного обеспечения, в котором новые формы создаются на основе заданных правил. Сегодня мы обсудим, как математическое моделирование можно использовать для создания новой конструкции держателя карандашей.

Карандаши, процессы и суть генеративного дизайна

Человечество уже вовсю использует генеративный дизайн, но и карандаши все ещё нужны, как когда-то в XVI веке в Англии, где карандаши привычного нам дизайна помогали пастухам считать своих овец. С тех пор было произведено бесчисленное множество карандашей (и идей, записанных с их помощью). Но только в середине XIX века к карандашу прикрепили ластик!

Фотография заостренного кончика обычного желтого карандаша.
Фотография кончика обычного желтого карандаша с розовым резиновым ластиком.

Эй, вы двое созданы друг для друга! Первые современные графитовые карандаши появились в XVI веке, а резиновые ластики — это изобретение века XVIII. Пройдут еще десятилетия, прежде чем ластики прикрепят к карандашам.

Оглядываясь назад, легко задаться вопросом, почему никто раньше не додумался добавить ластики к карандашам. Инструмент стирания кажется очевидным дополнением к инструменту письма, но новые идеи не всегда появляются тогда, когда их ждут. Это неуловимое качество человеческого творчества является одной из причин, по которой генеративный дизайн настолько силён: он может помочь нам быстрее находить лучшие идеи.

Генеративный дизайн, топологическая оптимизация и полевое проектирование

В основе генеративного дизайна лежит основанный на правилах процесс создания формы. Человек, руководящий проектом, устанавливает правила и параметры процесса генерации, которые и будут формировать желаемый результат. Эти параметры используются для создания форм, которые соответствуют заданным правилам процесса. Важно отметить, что дизайнер не создаёт формальные варианты заранее, чтобы потом провести их оценку. Вместо этого сам процесс генерирует множество формальных вариантов. Затем пользователь может рассмотреть, какие варианты (все они соответствуют заданным правилам) наилучшим образом соответствуют более широким целям проекта.

Схема процесса генеративного проектирования с обозначением Алгоритма правил, исходного кода, выходных данных и Конструктора.
Схема роли дизайнера в процессе генеративного проектирования, созданная междисциплинарной командой для книги "Генеративный гештальт". Изображение Хартмута Бонакера, лицензированное CC BY 3.0, через Викисклад.

Методология генеративного проектирования хорошо подходит для 3D-моделирования и других технологий аддитивного производства, которые могут придавать материалам непривычные, но функциональные формы. Другие термины, например полевое проектирование и оптимизация топологии, используются для описания различных применений генеративных методов проектирования к инженерным задачам. При полевом проектировании можно использовать граничные условия и смоделированные значения, чтобы задать правила, регулирующие генеративный процесс. Различные термины помогают описать приоритеты дизайнера при установлении правил, определяющих процесс создания.

Генеративный дизайн для геометрии гироида.

Модель беспилотного летательного аппарата после выполнения исследования по оптимизации топологии с имитацией перемещения, визуализированной в таблице цветов радуги.
Оптимизация топологии конструкции дрона, показывающая имитацию перемещения под нагрузкой.

В статье о цифровой инженерии Кристиан Эйлебьерг Йенсен из COMSOL объясняет:

“Фундаментальное различие между оптимизацией топологии и генеративным проектированием заключается в том, что оптимизация топологии определяется физикой задачи, в то время как генеративный дизайн непосредственно контролируется собственными решениями и требованиями дизайнера.”

Анимация ниже показывает, как топологическая оптимизация позволяет создать жёсткую и в том же время лёгкую конструкцию дрона.

Процесс оптимизации топологии проиллюстрирован на примере беспилотного летательного аппарата. Дизайнер может изменить объёмную долю и масштаб минимальной длины. У дизайнера нет другого явного контроля над конструкцией, поэтому окончательная форма в первую очередь определяется условиями нагрузки.

Как использовать среду численного моделирования для генеративного дизайна

Программное обеспечение для моделирования, построенное на основе конечно-элементного анализа (FEA), может реализовать методологию генеративного проектирования. Решатели в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® интерпретируют уравнения, выражения и другие математические описания, чтобы создать модель. Корректируя входные данные, вы можете инициировать генеративный процесс проектирования, подчинённый конкретным правилам.

Например, правила, задающие параметры топологической оптимизации, могут давать приоритет эффективному использованию материала при сохранении структурной целостности. Оптимизация топологии также может помочь инженерам спроектировать акустическую камеру с 3D-печатью для газовой фотоакустической спектроскопии или микрорешёточных структур для поглощения звука.

В то время как оптимизация топологии может привести к созданию дизайна, отвечающего определенным целям, другие соответствующие приоритеты могут благоприятствовать другому формальному решению. Рассмотрим смоделированные конструкции радиаторов, показанные ниже, которые были созданы с использованием модуля «Оптимизация» пакета COMSOL Multiphysics. Конструкция слева создана с помощью параметрической оптимизации, в результате которой были получены одинаковые по размеру и равномерно распределённые теплоотводящие рёбра. Оптимизация топологии, в которой применяется более детализированный и менее ограничительный генеративный процесс, привела к созданию сложной формы, показанной справа.

Изображения, показывающие параметрически оптимизированный радиатор слева и топологически оптимизированный радиатор справа.
Конструкции радиаторов, созданные с помощью параметрической (слева) и топологической (справа) оптимизации. Изображение предоставлено Фрицем Ланге.

Какой дизайн лучше? Ответ зависит от “выбора и требований дизайнера”, как сказал Эйлебьерг Йенсен в приведённой выше цитате. Возможно, более простая форма менее эффективна с тепловой точки зрения, но дешевле в производстве; это может быть более подходящим показателем для общих целей проекта. Даже когда процессы, основанные на правилах, создают новые формы, приоритеты дизайнера всё равно должны определять процесс генеративного проектирования.

Имея это в виду, давайте рассмотрим модель держателя карандаша, которая демонстрирует, как программное обеспечение COMSOL® может расширить возможности вашего собственного генеративного полевого проектирования.

Полевая конструкция держателя карандашей

Полевой дизайн модели держателя карандашей демонстрирует один из способов использования моделирования на основе уравнений для генеративного проектирования с использованием мощных математических возможностей COMSOL Multiphysics.

Геометрическая модель держателя описывается шестью параметрическими поверхностями. Остальная геометрия определяется моделированием на основе уравнений и объединяется путем выдавливания отображённой сетки.

Модель держателя карандаша, соединенная с кубическими элементами.
Геометрическая модель держателя карандашей.

Сетка кубических элементов (как показано слева) определяет геометрию держателя карандашей.

Генерация форм с помощью моделирования на основе уравнений

Интерфейс Coefficient Form PDE используется для определения фильтра Гельмгольца, который генерирует два гладких поля на границе. (Подробнее о фильтрации данных с помощью этого интерфейса читайте в предыдущей статье.) Затем уравнение Лапласа используется для переноса граничных значений в объём. Наконец, поля объединяются в аналитическое выражение, которое определяет геометрию. Дизайнер может изменять параметры PDE и/или выражения для создания другой формы, как показано на анимации ниже.

Анимация показывает эффект изменения трёх значений: объёмной доли; параметра, управляющего углами фигурных скобок; высоты верхнего и нижнего обода.

Последнее поле может быть экспортировано в виде файла STL, а затем импортировано в виде сеточного объекта для дальнейшего анализа.

Изображения оптимизированного дизайна держателя карандашей в COMSOL Multiphysics, с визуализацией экспорта STL, показанной слева, и текстурой дерева, показанной справа.
Модель держателя карандашей для экспорта в STL. На изображении справа показана текстура дерева, используемая функцией Material Rendering , реализованной в COMSOL®.

В примере с держателем карандашей дизайн определяется более или менее аналитически заданным полем. Однако COMSOL Multiphysics позволяет использовать и другие полевые переменные, например механическое напряжение, скорость среды или электрическое поле, для генерации формы конструкции. Возможности практически безграничны.

Фотография держателя карандаша, изготовленного на 3D принтере с помощью генеративного дизайна.
Напечатанный на 3D принтере держатель карандашей.

Дальнейшие шаги

Начните знакомство с генеративным дизайном, скачав учебную модель держателя карандашей с помощью кнопки ниже:

Что почитать по генеративному дизайну

Список источников

  1. K. Wong, "Optimize or Generate?," Digital Engineering, 2021, https://www.digitalengineering247.com/article/optimize-or-generate/

Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ