شرح Simcenter HEEDS: استكشاف فضاء التصميم

توقّف عن فحص تصميم واحد في كل مرة

تطرح مواد سيمينس الخاصة بـ HEEDS ملاحظة بسيطة: تميل الشركات إلى إنفاق معظم جهد النمذجة الافتراضية على بناء نماذج المحاكاة واختبارها للتحقق من التصاميم، ووقتاً أقل بكثير على استكشاف طرق تحسين أداء التصميم. بعبارة أخرى، يذهب معظم الجهد إلى التأكد من أن تصميماً واحداً يعمل، والقليل منه إلى السؤال: أيّ التصاميم يعمل على النحو الأفضل؟

صُمّم Simcenter HEEDS لتغيير هذه المعادلة. فهو حل للتحليل والتحسين متعدد التخصصات (MDAO) ضمن محفظة Simcenter. وبدلاً من أن تبدأ بتصميم واحد وتستخدم المحاكاة لتقييمه، تحدد الأداء الذي تريده، ثم يقود HEEDS أدوات CAD وCAE الموجودة لديك عبر عدد كبير من البدائل حتى يصل إلى التصاميم التي تحقق هذا الأداء.

يشرح هذا المقال معنى استكشاف فضاء التصميم، والركائز الأربع التي يقوم عليها HEEDS، وكيف تُعدّ أول دراسة تخرج منها بنتائج يمكن الاعتماد عليها.

1. ما المقصود فعلاً بـ«استكشاف فضاء التصميم»؟

تتكون كل دراسة من ثلاثة عناصر:

• متغيرات التصميم: ما يُسمح لك بتغييره، مثل سماكة الجدار أو عدد الزعانف أو نصف قطر التقويس أو نوع المادة أو موضع المروحة.
• الاستجابات: ما تقيسه، مثل هبوط الضغط أو أقصى إجهاد أو درجة الحرارة أو الكتلة أو التكلفة.
• الأهداف والقيود: معنى «الأفضل» (تقليل الكتلة أو زيادة التدفق)، والحدود التي يجب ألا تُتجاوز (إجهاد أقل من المسموح، ودرجة حرارة أقل من الحد المقنّن).

وتقارن سيمينس ذلك بالتحسين التقليدي الذي يحصر البحث في مناطق موضعية، غالباً حول التصميم الابتدائي، ويتطلب في كثير من الأحيان تبسيط نموذج المحاكاة حتى تبقى تكلفة البحث معقولة. أما استكشاف فضاء التصميم فيبحث على نطاق أوسع ضمن المجال المسموح، ويمكنه العمل بنموذج المحاكاة الكامل، ويهدف إلى إيجاد عدة حلول جيدة، أو عائلات من التصاميم، لا نقطة واحدة. وتظهر قيمة ذلك عندما يكون الحل الأفضل بعيداً عن نقطة البداية، أو عندما يتعارض هدفان وتحتاج إلى رؤية المفاضلة بينهما قبل أن تختار.

2. الركائز الأربع

أتمتة العمليات. يتصل HEEDS بأدواتك عبر واجهات جاهزة تسميها سيمينس «بوابات» (portals)، فيمكن تعديل الشكل الهندسي الأصلي، وإعادة توليد شبكة نموذج المحاكاة أو تحديثه، وإعادة بناء النموذج لكل بديل دون برمجة مخصصة أو تدخل يدوي. ويمكن لسير عمل واحد أن يربط محاكاة أحادية وثنائية وثلاثية الأبعاد بأدوات تقدير التكلفة، بالتتابع أو كمحاكاة مشتركة. ومن البوابات الموثقة في ملاحظات إصدار Simcenter HEEDS 2504: Designcenter NX وSimcenter 3D وSimcenter Amesim وFLOEFD وExcel، وأضاف الإصدار 2504 بوابتين لـ Ansys Discovery وAspen Simulation Workbook. كما تعرض صفحة HEEDS الرسمية لدى سيمينس استخدام HEEDS مع Simcenter STAR-CCM+.

التنفيذ الموزّع. ينسّق HEEDS مهام المحاكاة عبر منصات وأنظمة تشغيل مختلفة. وفي مثال سيمينس نفسه: تُنفَّذ تعديلات الشكل الهندسي على حاسوب محمول يعمل بنظام Windows، والتحليل الإنشائي على خادم Linux، وتحليل CFD على عدة أنوية في عنقود Linux، ثم يجمع HEEDS النتائج في دراسة واحدة. ويمكن استخدام الموارد الحاسوبية المحلية والبعيدة والعناقيد والموارد السحابية كلها.

البحث الفعّال. يحمل محرك البحث اسم SHERPA، وهو يستخدم عدة استراتيجيات بحث شاملة وموضعية في الوقت نفسه، ويكيّف البحث كلما تعرّف أكثر على فضاء التصميم. ولا يتطلب تبسيط النموذج ولا ملاءمة نموذج ولا نماذج بديلة (surrogates)، ولا يتطلب من المستخدم خبرة في الخوارزميات. ويمكنك أن تحدد له مدة زمنية فيكيّف استراتيجيته وفقها.

الفهم والاكتشاف. تُراجَع النتائج في HEEDS POST، وهو أداة المعالجة اللاحقة وتنقيب البيانات في HEEDS. يمكنه أن يجمع على شاشة واحدة مخططات التطور والمخططات المتوازية وجداول التصاميم وصورها، ويكشف الارتباطات والحساسيات، فترى المتغيرات المؤثرة في كل استجابة. كما يتيح HEEDS تقييم متانة التصميم أمام تفاوتات التصنيع. ويمكن تصدير التقارير بصيغة HTML تفاعلية، فلا يحتاج المراجعون إلى ترخيص لقراءتها.

3. كيف تبدو الدراسة على أرض الواقع؟

يعرض كتيّب HEEDS دراسة على هيكل حاسوب. فانطلاقاً من نموذج CAE قياسي، غيّر HEEDS مواضع المروحة وفتحات التهوية، ومقاس المشتتات الحرارية وشكلها وكثافتها ومادتها. وقيّم 200 تكوين خلال يومين باستخدام 50 نواة، ووصل إلى تصميم حسّن التبريد بنسبة 10 بالمئة وخفّض كتلة المشتتات الحرارية بنسبة 50 بالمئة مقارنة بالتصميم الأساسي.

في هذا المثال أمران يستحقان الاقتداء. الأول أن المتغيرات جمعت بين قرارات التوزيع والشكل الهندسي للقطع ومادتها، وهو مزيج يصعب استكشافه يدوياً. والثاني أن النتيجة تحسّنت في هدفين معاً، التبريد والكتلة. ومثل هذه النتائج يسهل أن تفوتك حين تغيّر متغيراً واحداً في كل مرة، وهي بالضبط ما يهدف البحث الواسع عبر متغيرات كثيرة إلى كشفه.

4. إعداد دراستك الأولى

يتوقف نجاح الدراسة الأولى على التحضير. وهذا تسلسل عملي:

1. ابدأ بنموذج يعمل بثبات. إذا احتاج التشغيل الواحد إلى تدخل يدوي، فستتوقف الدراسة المؤتمتة عند أول بديل يفشل.
2. اختر عدداً قليلاً من المتغيرات المؤثرة. اعتمد على الحكم الهندسي في المرحلة الأولى، وستخبرك نتائج الحساسية لاحقاً بما يجب حذفه أو إضافته.
3. اجعل كل استجابة قابلة للاستخراج دون تدخل بشري. أقصى إجهاد والكتلة وهبوط الضغط يجب أن تخرج من التشغيل تلقائياً.
4. اختبر بديلاً واحداً من البداية إلى النهاية داخل HEEDS قبل إطلاق البحث، بحيث يكفي زر واحد لتقييم أي بديل.
5. حدّد عدد التقييمات من أرقام حقيقية: زمن تشغيل البديل الواحد، والأنوية المتاحة، والموعد النهائي.
6. راجع النتائج في HEEDS POST ثم تحقّق منها. أعد تشغيل التصاميم المختارة وافحصها وفق معايير القبول المعتادة لديك قبل انتقالها إلى التصميم التفصيلي.

5. أين يأتي دور الذكاء الاصطناعي؟

أضافت سيمينس الذكاء الاصطناعي إلى البحث لا بديلاً عنه. فأداة HEEDS AI Simulation Predictor تعمل إلى جانب SHERPA وتتعلم أثناء سير الدراسة، وتذكر سيمينس أنها توفّر ما يصل إلى 40 بالمئة من زمن الحساب في عمليات التحسين الطويلة، ويمكنها إعادة استخدام بيانات دراسات سابقة. وجمع الإصدار 2504 أدوات النماذج البديلة في HEEDS POST داخل تبويب مستقل باسم Surrogates، وبحسب ملخص سيمينس «ما الجديد في Simcenter HEEDS 2604»، يحسّن الإصدار 2604 تدريب الشبكات العصبية ونشرها بتسريع من وحدات GPU ويضيف أدوات لمراقبة تقارب جبهة باريتو. تعامل مع هذه الأدوات على أنها مسرّعات للمحاكاة المكلفة، أما خطوات الإعداد السابقة فتبقى كما هي.

6. من يستفيد منه أكثر؟

يحقق HEEDS أكبر فائدة حين يكون التشغيل الواحد مكلفاً، أو حين تتداخل عدة تخصصات (الإنشاءات والتدفق والحرارة والتكلفة)، أو حين تتكرر إعادة تصميم عائلة منتجات. وترى سيمينس أن استكشاف فضاء التصميم لا ينبغي أن يقتصر على متخصصي التحسين، والإعداد الموضّح أعلاه في متناول أي مهندس يشغّل محاكاة موثوقة بالفعل.

تتضمن صفحة HEEDS روابط صحيفتي بيانات HEEDS وHEEDS POST من سيمينس.