De simulatierevolutie

Volgens diverse analisten doen in twee jaar tijd bijna alle grote bedrijven wel wat met de digitale tweeling. Voor Altair, leverancier van simulatiesoftware is dat goed nieuws. Doel van al die tweelingen is namelijk een glazen bol voor een voorspellende blik in de toekomst. Die bol heet simulatie en met SimSolid heeft Altair er een in handen die niet gebaseerd is op eindige elementen, maar op relatief nieuwe wiskunde. Hierdoor kijkt hij net zo precies, maar wel veel sneller dan alle andere.

 

“Wist je dat 50 procent van de Duitse machinebouwers helemaal niets met simulatie doet?” zegt Mirko Bromberger, directeur marketingstrategie bij Atair tijdens een persconferentie op de Hannover Messe.  Als belangrijkste reden noemt hij dat ze het te complex en tijdrovend vinden. Helemaal wanneer het samengestelde producten – het leeuwendeel van zo’n beetje alles om je heen – betreft.  CAD-modellen die moeten worden nagemaakt in een eindige elementen pakket. Meshes die moeten worden gedefinieerd, waarbij vooral verbindingen tussen onderdelen hoofdpijn bezorgen. En dan hebben we het nog niet over de uren die een extra krachtige computer vervolgens staat te rekenen voor een mogelijk acceptabel resultaat. Hoewel men best snapt dat het in theorie beter is wanneer je simulatie naar de voorkant van je ontwikkelproces trekt, is de impact op de doorlooptijd veelal te groot om het praktisch te kunnen verantwoorden. Bovendien zijn de mensen die zowel expert zijn op het gebied van CAD-design als CAE-software dun bezaaid. Maar met SimSolid gaat daar volgens hem verandering in komen. Hij voorspelt zowaar een heuse simulatierevolutie. Een die de complexiteit van eindige elementen berekeningen wegneemt en ze bovendien in een fractie van de tijd oplost.

Simulation driven design

Nu is het niet voor het eerst dat Altair over een bloeiperiode voor simulatie spreekt. Sinds hun oprichting in 1985 en vernieuwende producten als HyperMesh en OptiStruct uit de beginjaren, is er inmiddels een behoorlijk portfolio opgebouwd dat de softwarereus – met 2000+ werknemers ben je geen kleintje – het HyperWorks-platform noemt. Aanvankelijk geboren vanuit de notie dat de werkelijkheid meerdere dimensies kent en multi-fysische simulatie hierop het beste antwoord geeft, is er het laatste decennium ook meer focus op design komen te liggen. Want, zo stelt Altair, eigenlijk span je met eerst ontwerpen en dan simuleren het paard achter de wagen. Beter is het om de gesimuleerde uitkomsten van doel en constraints als basis voor het ontwerp te nemen en het daarmee in één keer goed te doen. Recente generatieve producten voor topologie-optimalisatie zoals Inspire zijn hiervan een mooi voorbeeld. Ook zijn er de afgelopen jaren producten gekomen voor IoT en cloud gerelateerde zaken. Denk aan datamanagement tools, maar ook aan het inzetten van cloudkracht voor het uitvoeren van zware berekeningen. Maar omdat echt ‘simulation driven design’ – dus simulatie vanaf het eerste begin - ook gewoon vanaf de pc zou moeten kunnen, kocht Altair eind 2018 SimSolid. De onderliggende technologie die geen eindige elementen gebruikt voor het doorrekenen van complexe onderdelen en samenstellingen, zal ongetwijfeld ook zijn weg vinden in andere Altair-producten, zo liet Chief Technology Officer Dr. Uwe Schramm onlangs in een persbericht weten.

 

Nieuwe wiskunde

Maar hoe werkt die onderliggende technologie? En waarin verschilt hij van de gebruikelijke eindige elementen solvers die wel een mesh gebruiken? Het blijkt dat de SimSolid engine nieuwe uitbreidingen op de externe benaderingstheorie (approximation theory) gebruikt.  Om het zonder lastige formules uit te leggen, past een kleine geschiedenis. 
Eind 19^e eeuw ontwikkelden de Russische Chebychev en Duitse Weierstrass nieuwe wiskunde om lastig te beschrijven eigenschappen bij benadering te vervangen door een eenvoudigere  voorstellingen. Belangrijk gegeven was dat met deze vereenvoudiging geen significante fouten werden geïntroduceerd. Hierop voortbordurend waren het begin 20^ste eeuw de verdiensten van de eveneens Russische Galerkin en Zwitserse Ritz die rond 1950 leidde tot de eindige elementen analyses zoals we die vandaag kennen. Zij ontwikkelden namelijk de wiskunde voor het numeriek ‘discretiseren’ van continue-probleemstellingen zoals differentiaalvergelijkingen. En dan die met randvoorwaarden in het bijzonder. Een eindige elementen analyse gebruikt deze ‘discretiserende’- benaderingswiskunde door een te bestuderen onderdeel in polynomen op te delen en telkens de invloed van een belasting op aangrenzende elementen te berekenen. Hoe preciezer je de werkelijkheid wilt benaderen, des te kleiner je mesh. Maar ook des te meer er te rekenen valt. Zo veel zelfs, dat ook moderne computers er aardig wat uurtjes mee zoet kunnen zijn.  Om dit laatste te omzeilen, past SimSolid een zogenoemde ‘ontkoppeling van geometrie-functies’ toe. De vorm van een element is volledig willekeurig en wordt ‘on the fly’ tijdens het oplossen bepaald. Dit kan doordat in 1930 wederom een Rus, dit keer Sobolov genaamd, een vectorruimte ontdekte die zijn naam draagt. Het gaat wat ver (en eerlijk gezegd wat boven de pet) om precies uit te leggen wat SimSolid allemaal in deze ruimte uitspookt. Maar wie geïnteresseerd is kan hier in de formules duiken om de precieze wiskunde te reconstrueren.

 

Geometrisch onafhankelijke voordelen

Wel zinnig om het over te hebben, zijn de voordelen die de geometrie-onafhankelijke aanpak van SimSolid met zich meebrengt. En die zijn er volgens Bromberger genoeg. “Doordat SimSolid geen ‘last’ heeft van meshes, hoeven modellen niet nagemaakt en geoptimaliseerd te worden om dit deel van het traditionele CAE-proces te faciliteren. Draadgaten, bouten, features als fillets en chamfers, ze worden gewoon netjes meegenomen. Hierdoor is het dus ook mogelijk om rechtstreeks CAD-modellen in te lezen. SimSolid is compatible met vrijwel alle gangbare CAD-pakketten en bestandsformaten en kan rechtstreeks met hele samenstellingen aan de slag.” Volgens Bromberger is het wegvallen van de noodzaak om helemaal opnieuw een sterk vereenvoudigd 3D-model te moeten modelleren, voor de adoptie van simulatie minstens zo belangrijk als het terugdringen van de rekentijd. “Natuurlijk willen bedrijven en engineers graag vroegtijdig inzicht in de prestatie van hun ontwerp. Maar tot voor kort kostte dat in veel gevallen te veel tijd en kreeg men die ogenschijnlijk voor de hand liggende businesscase niet rond.  Nu ligt dat echt anders. Ook voor de CAE-analist die door het wegvallen van modelleerwerk nu ineens de handen vrij krijgt echt de diepte in te duiken en onontgonnen gebieden te ontdekken.”

Overigens vervangt SimSolid niet ineens alle andere simulatiesoftware van Altair. De Sweetspot? Die zit hem echt in de analyse van samenstellingen en het sneller op de rit hebben van complexe onderdelen. Want hoewel met SimSolid onder andere statische, dynamische (trilling), thermische analyses gedaan kunnen worden, blijven er genoeg specialistische vakgebieden over voor toepassingsspecifieke software uit het HyperWorks-portfolio.

 

Closed Loop Engineering

En dat brengt ons bij een laatste teken aan de wand dat volgens Bromberger een heuse ‘simulatierevolutie’ aanstaande is: de digitale tweeling en de noodzaak de cirkel hierbij rond te krijgen.  Want een digitale representatie beperkt zich niet alleen tot de productontwikkelingsfase. Ook als het gaat om productie, operatie, onderhoud en de productoptimalisatie van een nieuwe op basis van echte data heeft de tweeling een centrale rol te vervullen. Bromberger: “Een digitale tweeling is een digitale voorstelling van een product of systeem dat ons in staat stel betere beslissingen te nemen. En simulatie dus. Hierbij gaat het om de hele keten met uiteenlopende modellen en abstractieniveaus.  Er is daarom een open omgeving nodig om al die verschillende simulatiebouwstenen aan elkaar te kunnen knopen. Hierbij is het belangrijk je te realiseren dat elke tweeling uniek is en een eigen doel heeft.”  Bromberger loopt naar een opstelling waar de PLC van een wasmachine is verbonden met een digitaal model van die wasmachine. “De koppeling is gemaakt in een nieuwe scripting-omgeving van Altair, Activate genaamd. Zowel het signaal uit de plc als het gedrag van de machine als massa-veersysteem kan met realtime data worden gesimuleerd.” Maar ook een onderzoek naar de reden waarom een productdrager stuk ging op basis van gegevens uit de machine, het realtime monitoren van 1600 robots voor voorspellend onderhoud en een haalbaarheidsstudie of een product aan lokale EMC-regels voldoet in dat land op de markt mag behoort tot de ‘closed loop engineering’ die Altair graag ziet. Want, zo luidt de stelling van Bromberger: “Bad news early is good news.”