CFX Berlin - Optimetrics

Optimetrics für Parameter- & Designstudien

Speziell für die ANSYS-Produkte im Elektromagnetik-Bereich ist das Werkzeug Optimetrics in die jeweilige Benutzeroberfläche integriert. Es erlaubt die automatisierte Durchführung von Parameteranalysen, Sensitivitätsanalysen, Optimierungen und statistischen Analysen. Optimetrics erlaubt Ihnen, mit wenig Aufwand Designveränderungen zu evaluieren, die Sensitivität Ihres Design bezgl. seiner Eingangsparameter zu bestimmen, das Design automatisch zu optimieren und Auswirkungen z.B. von Fertigungstoleranzen auf die Funktionalität quantitativ zu bestimmen.

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Parameteranalyse

Für die Parameteranalyse wird das Simulationsmodell parametrisiert, d.h. Geometrieangaben wie Position oder Abmessungen oder Anregungen wie die Stromstärke werden nicht mit festen Werten definiert, sondern über Variablen.

Bei der Parameteranalyse können für eine oder mehrere Variablen Wertebereiche und Stützstellen definiert werden; Optimetrics führt dann automatisch alle so definierten Simulationen hintereinander (oder mit Distributed Solve Option auch gleichzeitig) aus. Durch 2D- oder 3D-Darstellungen können die Variationen über den Variablen anschaulich dargestellt werden.

Rotationssymmetrisches Modell eines Lasthebemagneten in Maxwell 2D: Permanentmagnet (rot), Spule (ocker), Rückschluss (grau-blau), Blech (grau) mit Flusslinien.
Parametervariation in Optimetrics: Für den stromlosen Fall wird die Haltekraft des Lasthebemagneten in Abhängigkeit vom Abstand zum Blech berechnet
Parametervariation in Optimetrics: Die Haltekraft des Lasthebemagneten wird in Abhängigkeit vom Abstand zum Blech und vom Strom (in Amperewindungen) durch die Spule berechnet und als Kurvenschar dargestellt
Parametervariation in Optimetrics: Die Haltekraft des Lasthebemagneten wird in Abhängigkeit vom Abstand zum Blech und vom Strom (in Amperewindungen) durch die Spule berechnet und als 3D-Fläche dargestellt

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Optimierung

Bei der Optimierung werden von Optimetrics die zu optimierenden Eingangsvariablen so lange geändert, bis eine Zielfunktion erreicht wird. Die Zielfunktion kann durch Wichtung aus mehreren Zielkriterien zusammengesetzt sein, zusätzlich können Nebenbedingungen die zulässigen Variablenwerte einschränken.

Für die Optimierung stehen mehrere Verfahren zur Verfügung:

  • Sequential Nonlinear Programming (SNLP)
  • Sequential Mixed Integer NonLinear Programming (SMINLP)
  • Quasi Newton
  • Pattern Search
  • Genetic Algorithm
Rotationssymmetrisches Modell eines Lasthebemagneten in Maxwell 2D: Permanentmagnet (rot), Spule (ocker), Rückschluss (grau-blau), Blech (grau) mit Flusslinien.
Optimierung der Stromstärke (in Amperewindungen) des Lasthebemagneten mit Optimetrics mit dem Quasi-Newton-Verfahren mit dem Ziel, die Haltekraft zu minimieren (Lösen des Bleches). Dargestellt ist das Kostenfunktional über den Evaluationen.
Optimierung der Stromstärke (in Amperewindungen) des Lasthebemagneten mit Optimetrics mit dem Sequential Nonlinear Programming (SNLP)-Verfahren mit dem Ziel, die Haltekraft zu minimieren (Lösen des Bleches). Dargestellt ist das Kostenfunktional über den Evaluationen.

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Sensitivitätsanalyse

In einer Sensitivitätsanalyse wird in der Nachbarschaft eines z.B. durch Optimierung bestimmten Designs untersucht, wie empfindlich eine  Ausgabegröße, z.B. die Kraft auf das Blech eines Lasthebemagneten, bezüglich verschiedener Eingabeparameter ist.

Hierbei wird das Design jeweils bezüglich eines einzelnen Parameters mehrmals leicht variiert; durch die Punkte der Ausgabegröße wird ein Regressionspolynom gelegt und dessen erste und zweite Ableitung als Maß für die Sensitivität der Ausgabegröße bezüglich dem jeweiligen Eingangsparameter berechnet.

Rotationssymmetrisches Modell eines Lasthebemagneten in Maxwell 2D: Permanentmagnet (rot), Spule (ocker), Rückschluss (grau-blau), Blech (grau) mit Flusslinien.
Sensitivitätsuntersuchung des Lasthebemagneten bezüglich der Breite des oberen Rückschlusses: grafische Ausgabe der berechneten Designs (Punkte) und des Regressionspolynoms
Sensitivitätsuntersuchung des Lasthebemagneten bezüglich der Breite des äußeren Rückschlusses: grafische Ausgabe der berechneten Designs (Punkte) und des Regressionspolynoms
Sensitivitätsuntersuchung des Lasthebemagneten bezüglich der Breite des mittleren, oberen und äußeren Rückschlusses: Ausgabe der ersten und zweiten Ableitung der Regressionspolynome

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Statistische Analyse

In einer statistischen Analyse soll die Auswirkung von (zufälligen) Variationen in den Eingangsgrößen auf die Ausgangsgrößen bestimmt werden. Eine typische Anwendung ist die Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen für die Bauteilabmaße. Hierzu werden für alle Eingangsparameter Verteilungen (vorgesehen sind Gaussian, Uniform, Lognormal und selbstdefiniert) spezifiziert, und Optimetrics bestimmt hieraus über ein Latin Hypercube Sampling die Verteilungen der Ausgangsgrößen.

Rotationssymmetrisches Modell eines Lasthebemagneten in Maxwell 2D: Permanentmagnet (rot), Spule (ocker), Rückschluss (grau-blau), Blech (grau) mit Flusslinien.
Statistische Analyse des Lasthebemagneten mit Optimetrics: Robustheit der Haltekraft hinsichtlich von Gauß-verteilten Schwankungen in den Breiten des oberen und äußeren Rückschlusses

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