POWRÓT

SEMESTR VI

Modelowanie i symulacja komputerowa, jako element wspomagania projektowania inżynierskiego.


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Metody symulacji komputerowej
Modelowanie komputerowe
Podstawowe narzędzia do modelowania i symulacji oraz ich funkcje.


 

Metody symulacji komputerowej

   

   Coraz większe wymagania jakości produkcji oraz obniżania kosztów wprowadzania nowych technologii wymuszają stosowanie przez przedsiębiorstwa coraz bardziej zaawansowanych narzędzi pozwalających na wirtualne planowanie produkcji. Symulacja jest techniką służącą do rozwiązywania problemów, polegającą na użyciu odpowiednich modeli wirtualnych. Model symulacyjny jest logiczno-matematycznym przedstawieniem pojęcia, systemu lub działań, zaprogramowanym w celu rozwiązania za pomocą komputera.
   System definiujemy jako zbiór obiektów powiązanych określonymi wzajemnymi zależnościami lub oddziaływaniami. Modelowanie symulacyjne jest jedną z ważniejszych technik wspomagających projektowanie zrobotyzowanych elastycznych systemów produkcyjnych, jak i zarządzanie produkcją.

Innymi słowy symulacja jest metodą prowadzenia eksperymentu, w którym decydent buduje model imitujący (naśladujący) działanie rzeczywistego systemu. Poprzez eksperymenty z modelem, decydent może studiować charakterystykę i zachowanie się tegoż systemu w czasie. Jeżeli używamy modeli matematycznych mówimy o symulacji numerycznej.
   Symulacja umożliwia łatwiejszą identyfikację obszarów, w których możliwa jest redukcja kosztów oraz zwiększenie wydajności. Uzasadnione będzie wykorzystanie jej do analizy ryzyka. Symulacja umożliwia powiększanie wiedzy na temat układu, a także jego dynamiki oraz interakcji zachodzących w nim. Możliwe jest także wskazanie scenariuszy sytuacji, opartych na zewnętrznych propozycjach.
Symulacja może być stosowana przy:

  • dostosowywania projektu do określonych wymagań biznesowych,
  • doskonalenia systemów,
  • współdzieleniu informacji między przedsiębiorstwami,
  • badaniu wpływu złożonych zmiennych dynamicznych na system.

   Celem symulacji może być także próba uniknięcia niechcianych zdarzeń, albo przygotowanie się na ich wystąpienie. Mowa tu o zbyt długich czasach przezbrojeń, niedopracowanej harmonizacji wydajności elementów systemu w stosunku do innych urządzeń, blokadach sieci transportowych, czy przepełnionych magazynach, a także wiele innych.

Wady i zalety symulacji

  • Zalety
    • Dzięki symulacji możliwe jest rozpoznanie postaci badanego modelu decyzyjnego poprzez przeprowadzenie bezpośrednich eksperymentów na badanym procesie.
    • Symulacja może być użyta do rozległych analiz złożonych problemów decyzyjnych, nierozwiązywalnych przy pomocy metod analitycznych.
    • Umożliwia szybkie przygotowanie decyzji, przy wykorzystaniu analizy efektów przeprowadzonych eksperymentów, dla następujących kolejno okresów czasu oraz pozwala odpowiedzieć na pytania "co, jeśli?"
    • Eksperymenty w symulacji umożliwiają analizę wielu możliwości decyzyjnych oraz przeprowadzenie analiz powiązania efektów zmiennych składowych modelu posiadających wpływ na wybór właściwej decyzji, kiedy panują ekstremalne warunki.
  • Wady
    • Aby wykonać rzetelny model symulacyjny potrzebne są duże nakłady finansowe, a wykonanie zajmuje dużo czasu, tym bardziej, że zdecydowanie większa część modeli posiada charakter unikatowy i inne problemy decyzyjne nie mogą być rozwiązywane za pomocą modeli wcześniej już zbudowanych.
    • Możliwe jest przygotowanie kilku alternatywnych rozwiązań decyzyjnych przy przeprowadzeniu dodatkowych eksperymentów, jednak nie będą one stanowiły optymalnego rozwiązania dla wszystkich warunków.
    • Generowane są odpowiedzi dla konkretnych oraz zmiennych warunków. Osoba decyzyjna odpowiedzialna za podjęcie ostatecznej decyzji musi uwzględnić wszystkie ograniczenia oraz uwarunkowania analizowanych wariantów.

Do góry


 

Modelowanie komputerowe

   

   Modelowanie jest to tworzenie modeli układów rzeczywistych, z uwzględnieniem żądanej dokładności i kosztów modelowania. Symulacja to odtwarzanie przebiegu badanego zjawiska lub procesu (z założoną a priori dokładnością) na podstawie jego modelu. Aktualnie znane są cztery sposoby modelowania procesów: modelowanie fizykalne, modelowanie statystyczne, modelowanie z zastosowaniem sztucznych sieci neuronowych oraz modelowanie fizyczne i matematyczne, a w efekcie komputerowe. Budowane modele mają służyć do analizy procesów a najlepiej w konsekwencji modelowania do ich optymalizacji.
Wraz ze wzrostem zainteresowania symulacją komputerową jako metody badawczej zaczęły pojawiać się coraz to nowsze języki programowania i narzędzia umożliwiające przeprowadzanie eksperymentów symulacyjnych. Narzędzia te można podzielić na kilka grup, takich jak:

  • symulacje z wykorzystaniem arkuszy kalkulacyjnych,
  • dedykowane środowiska symulacyjne,
  • rozwiązania w technologii wieloagentowej,
  • języki programowania.

   Wybór odpowiedniego narzędzia przed implementacją modelu symulacyjnego w środowisku komputerowym jest jednym z podstawowych elementów postępowania badawczego.

W zależności od wymagań, środków materialnych i umiejętności modelującego powinny zostać wybrane takie narzędzia, które pozwolą na najskuteczniejsze rozwiązanie problemu.

Arkusze kalkulacyjne

   Najprostszą grupą narzędzi, zarówno pod względem obsługi, jak i oferowanych możliwości, są arkusze kalkulacyjne. Ze względu na specyfikę symulacji często charakterystycznym ich elementem jest opieranie wyników na wygenerowanych pseudolosowych zbiorach liczb. W pakiecie Excel generuje się je, korzystając z odpowiedniej funkcji. Ponadto istnieje możliwość korzystania z próbkowania za pomocą rozkładu normalnego, gamma itp. W programie tym można znaleźć narzędzia przeznaczone do symulowania zjawisk. Pozwalają one, przykładowo, na definiowanie i analizę wariantów, które mogą zajść w trakcie przeprowadzania eksperymentu symulacyjnego. Excel ma natomiast ograniczone możliwości wizualizacji uzyskanych danych. Praktycznie nie pozwala na ich animacje, ograniczając tym samym możliwość śledzenia parametrów ulegających zmianie w czasie.

Dedykowane środowiska symulacyjne

   Grupę programów komputerowych, zaprojektowanych z myślą o prowadzeniu w nich symulacji komputerowych, można określić mianem dedykowanych środowisk symulacyjnych. W chwili obecnej dostępny jest cały zbiór narzędzi, komercyjnych i bezpłatnych, które umożliwiają modelowanie i przeprowadzanie eksperymentów symulacyjnych. Różnią się one pod wieloma względami, między innymi wydajnością, elastycznością, możliwościami przetwarzania ciągłego czy dyskretnego, jak również wyglądem i związanym z nim interfejsem użytkownika. W praktyce biznesowej najczęściej stosowane są komercyjnie dostępne pakiety symulacyjne, takie jak iGrafx i Flexsim.<,br> Flexsim - to narzędzie pozwalające na symulację systemów między innymi w obszarze produkcji, gospodarki materiałowej, pakowania, logistyki i transportu. Charakteryzuje się dużą elastycznością, dając użytkownikowi możliwość parametryzacji praktycznie każdego modelowanego obiektu. Wśród dostępnych parametrów są wszystkie potrzebne do rzeczywistego odwzorowania badanego systemu - począwszy od określenia czasów potrzebnych na wykonanie poszczególnych czynności, poprzez liczbę osób obsługujących dane stanowiska aż po odległości, które muszą zostać pokonane przez poszczególne elementy. Oprogramowanie ma również rozbudowane możliwości trójwymiarowej wizualizacji procesów.
iGrafx - służy do do modelowania procesów ekonomicznych i składa się z szeregu modułów odpowiedzialnych za modelowanie procesów, prezentowanie danych uzyskanych z przeprowadzo-nej symulacji itp.

Rozwiązania w technologii wieloagentowej

   W teorii systemów komputerowych skomplikowane, rozproszone problemy decyzyjne często przetwarzane są w tzw. środowiskach wieloagentowych. Idea działania takich środowisk polega na współdziałaniu określonej liczby autonomicznych programów zwanych agentami, które podejmują próby osiągnięcia celów zdefiniowanych przez delegujące je podmioty (użytkowników lub inne programy). Wśród najważniejszych rozwiązań tego typu, cieszących się jednocześnie dużą popularnością, należą cztery narzędzia komputerowe: NetLogo, Repast, Swarm i GAMA.

Języki programowania

   Ostatnią grupą narzędzi, o których mowa w niniejszym rozdziale, są języki programowania. W szczególności uwagę poświęcono językom dedykowanym symulacjom. Są to języki opracowane w konkretnym celu, z tego powodu wiele z nich ma rozbudowane biblioteki programowe, pozwalające na korzystanie z istniejących typów funkcjonalności niezbędnych do budowania modeli symulacyjnych. Wśród nich można wyróżnić rozbudowane możliwości generowania liczb pseudolosowych, wizualizacji danych, ułatwień w eksporcie do formatów zewnętrznych itp.

Do góry


 

Inventor jako narzędzie do modelowania i symulacji oraz ich funkcje.

   

Inventor

   Inventor jest podstawowym programem komputerowym typu CAD 3D w ofercie firmy Autodesk. W programie, w sposób parametryczny modeluje się trójwymiarowe części i złożenia w celu stworzenia gotowego projektu urządzenia. Tym sposobem tworzony jest wirtualny prototyp urządzenia (często nazywany cyfrowym bliźniakiem). Na podstawie tego trójwymiarowego modelu możliwe jest wykonanie zarówno rysunków wykonawczych, złożeniowych, montażowych jak i stworzenie kompletnej listy części oraz przeprowadzenie wielu analiz np. analiz wytrzymałościowych.

Program Inventor składa się z wielu modułów. Modułami podstawowymi są:

  • Moduł do tworzenia części. Części w programie Inventor modelujemy tworząc na wybranych płaszczyznach szkice, a następnie na podstawie tych szkiców bryły. Szkice w programie są szkicami parametrycznymi, które tworzymy z użyciem wiązań. Istnieją dwa podstawowe typy wiązań: geometryczne i wymiarowe. Przykładem wiązań geometrycznych są zależności w stylu równoległość, prostopadłość, styczność, itp. Wiązania wymiarowe opisują wielkość parametru długości danego elementu. Wielkości te mogą być stałe jak i zależne od innych wymiarów. Mamy również możliwość połączenia tych wymiarów z programami zewnętrznymi np. z arkuszami Excela. Na podstawie stworzonych szkiców budujemy trójwymiarową bryłę lub model powierzchniowy. Po stworzeniu pierwszej bryły tworzymy kolejne szkice i bryły a następnie wykonujemy na powstałych bryłach działania logiczne - odejmowanie/dodawanie/cześć wspólną - w celu uzyskania ostatecznego kształtu części.
  • Moduł do tworzenia złożeń. W Inventorze istnieją dwa podstawowe typy złożeń: standardowe i konstrukcji spawanych. Złożenia standardowe składane są z pojedynczych części. Następnie pomiędzy nimi tworzone są wiązania geometryczne. Istnieją wiązania stałe np. definiujące płaszczyzny równoległe, styczne, kątowe oraz wiązania ruchome np. obrotowo-przesuwne. Modelowanie złożeń w programie Inventor jest rozbudowane o szereg zaawansowanych funkcji ułatwiających tworzenie skomplikowanych projektów. Można szczególnie tu wyróżnić funkcje umożliwiające tworzenie części i złożeń wchodzących w typoszeregi, modelowanie zespołów metodą "z góry na dół", komponenty pochodne, wiązania połówkowe, kreatory części związanych z przeniesieniem napędu (wały, przekładnie zębate, itp.)
  • Moduł do tworzenia dokumentacji płaskiej (rysunków). Dokumentacja tworzona w programie może być tworzona w formacie DWG zgodnym z formatem programu AutoCAD umożliwiając w prosty sposób przenoszenie danych projektowych pomiędzy konstruktorami. Moduł do tworzenia dokumentacji płaskiej składa się z dwóch części - modułu do tworzenia rzutów oraz modułu służącego do tworzenia opisów. W module do tworzenia rzutów oprócz podstawowych funkcjonalności jak rzut główne oraz rzuty pomocnicze możemy wyróżnić funkcję do tworzenia szczegółów, wyrwań, przerwań, wycinków, przekrojów prostych i łamanych oraz do tworzenia tzw. widoków nakładkowych tzn. widoków pokazujących np. układ sterowania przy zamkniętej i półotwartej klapie.

Program Inventor składa się z wielu modułów - podstawowych takich jak:

  • Analiz wytrzymałościowych statycznych i dynamicznych. Symulacje kinematyczne i dynamiczne – są to badania wykorzystujące projekt 3D wykonany w systemie CAD, dzięki którym możemy określić i oszacować zależności kinematyczne (trajektorie ruchu, prędkości, przyspieszenia) poszczególnych elementów oraz dynamiczne (siły, momenty) w trakcie ruchu, a następnie poddać te elementy analizom wytrzymałościowym MES dla najbardziej obciążonych miejsc. Analizy MES (Metoda Elementów Skończonych) - to badania wytrzymałościowe, dzięki którym można oszacować stany naprężeń i odkształceń, na które będzie narażony dany element wykonanego projektu.
  • Animacji oraz wizualizacji,
  • Konstrukcji blachowych,
  • Konstrukcji stalowych - ram,
  • Projektowania rurociągów i wiązek elektrycznych,
  • Form wtryskowych, wraz z podstawowymi obliczeniami,
  • Wydruków 3D,
  • Plików wymiany danych z programami typu BIM (np. AutoCAD Plant 3D),
  • Prezentacji - tzw. dokumentacji DTR,

Do góry


   

 

 (C) 2019 - 2020 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved