DE102021133525A1 - Method and apparatus for assisting a designer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Unterstützen eines Konstrukteurs mit den folgenden Merkmalen bereit: Anforderungen (11) des Konstrukteurs an ein Bauteil werden erfasst; gemäß einem Quantenoptimierungsalgorithmus (12) wird eine Auswahl an Werkstoffen für das Bauteil zusammengestellt, welche den Anforderungen (11) genügen; und aus der Auswahl werden Empfehlungen (13) an den Konstrukteur abgeleitet.Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium bereit.The invention provides a method for supporting a designer with the following features: requirements (11) of the designer for a component are recorded; according to a quantum optimization algorithm (12), a selection of materials for the component is put together which meet the requirements (11); and recommendations (13) to the designer are derived from the selection. The invention also provides a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen eines Konstrukteurs. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.The present invention relates to a method for assisting a designer. The present invention also relates to a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.

Als Werkstoffauswahl bezeichnet man zusammenfassend alle Schritte im Designprozess eines Bauteils, die dazu dienen, ein unter strukturellen Anforderungen und hinsichtlich Funktionalität, optischer Erscheinung, Korrosionsbeständigkeit usw. geeignetes Material auszuwählen, aus dem das Bauteil gefertigt wird.Material selection is a summary of all steps in the design process of a component that serve to select a material that is suitable for structural requirements, functionality, visual appearance, corrosion resistance, etc., from which the component is made.

Als Grundlage für die Auswahl eines Werkstoffs dienen typischerweise Werkstoffnormen - zum Beispiel gemäß DIN - und Datenblätter, welche etwa vom Hersteller oder von Abnahmegesellschaften veröffentlicht und durch Kundenspezifikationen weiter eingeschränkt werden. Die Auswahl erfolgt zumeist mittels Werkstoffdatenbanken.The basis for the selection of a material is typically material standards - for example according to DIN - and data sheets, which are published by the manufacturer or approval companies and further restricted by customer specifications. The selection is usually made using material databases.

Nach dem Stand der Technik werden Bauteile in der Konstruktion hinsichtlich Gewichtes, Festigkeit, Crashsicherheit etc. optimiert. US 2012/173209 A1 , US 2010/305925 A1 , CN 111475977 A und JP 2012-137996 A offenbaren jeweils ein System oder Verfahren zum Entwickeln eines Bauteils, insbesondere für Fahrzeuge, in dessen Rahmen anhand vorgegebener Parameter für das Bauteil der für dessen Herstellung bestmögliche Werkstoff sowie eine alternative Geometrie vorgeschlagen wird.According to the state of the art, structural components are optimized in terms of weight, strength, crash safety, etc. U.S. 2012/173209 A1 , U.S. 2010/305925 A1 , CN 111475977A and JP 2012-137996 A each disclose a system or method for developing a component, in particular for vehicles, in the context of which the best possible material for the production of the component and an alternative geometry are proposed on the basis of predetermined parameters.

Nachhaltigkeitskriterien wie der sogenannte CO2-Fußabdruck oder der Entsorgungsaufwand bleiben dabei in der Regel unberücksichtigt. Derart komplexe Berechnungen und insbesondere Optimierungen sind selbst mittels künstlicher Intelligenz (KI) unter Nutzung klassischer Rechner kaum zu bewältigen. Des Weiteren fehlt jedwede Datengrundlage zur Bewertung z. B. des CO2-Fußabdrucks. Schließlich zieht die Wahl eines abweichenden Werkstoffes meist eine Änderung der Formgebung nach sich.Sustainability criteria such as the so-called CO 2 footprint or the cost of disposal are generally not taken into account. Such complex calculations and in particular optimizations can hardly be managed even with artificial intelligence (AI) using classic computers. Furthermore, there is no data basis for the evaluation, e.g. B. the CO 2 footprint. After all, the choice of a different material usually entails a change in shape.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Unterstützen eines Konstrukteurs, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides a method for supporting a designer, a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding machine-readable storage medium according to the independent claims.

Diese Lösung eröffnet die Möglichkeit einer einheitlichen, festgelegten Berechnung des CO2-Fußabdrucks. Der Konstrukteur kann mit dieser Unterstützung unkompliziert den CO2-Fußabdruck eines Materials berechnen und in die Bewertung einbeziehen, was eine Konstruktion nachhaltiger Bauteile gestattet und zu einem etwaigen Nachhaltigkeitsprogramm des betreffenden Herstellers beiträgt.This solution opens up the possibility of a uniform, fixed calculation of the CO 2 footprint. With this support, the designer can easily calculate the CO 2 footprint of a material and include it in the assessment, which allows the design of sustainable components and contributes to any sustainability program of the manufacturer concerned.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

Die Figur zeigt den Informationsfluss in einem erfindungsgemäßen Materialrechner.The figure shows the flow of information in a material computer according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Ein Materialrechner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unterstützt den Konstrukteur in der Auswahl des Werkstoffs für ein zu entwickelndes Bauteil oder Modul und errechnet z. B. den CO2-Fußabdruck für dieses Bauteil unter der Annahme einer bestimmten Formgebung und Werkstoffauswahl. Hierbei kommt ein Quantenalgorithmus zum Einsatz, um schnell und anpassungsfähig eine optimale Lösung für die Auslegung des Bauteiles zu finden. Als Quantenalgorithmus ist in diesem Zusammenhang jedwede eindeutige Handlungsvorschrift zu verstehen, welche verschränkte Zustände von Quanten verwendet, bei denen sich verschiedene, gleichzeitig existierende quantenmechanische Zustände der Teilsysteme überlagern. Die im Rahmen des Quantenalgorithmus in Bezug genommenen Variablen werden hierzu in sogenannten Qubits, also Zweizustands-Quantensystemen gespeichert.A material calculator according to one embodiment of the invention supports the designer in the selection of the material for a component or module to be developed and calculates z. B. the CO 2 footprint for this component assuming a specific shape and material selection. A quantum algorithm is used here in order to find an optimal solution for the design of the component quickly and adaptably. In this context, a quantum algorithm is to be understood as any unambiguous rule of action that uses entangled states of quanta, in which different, simultaneously existing quantum mechanical states of the subsystems are superimposed. The variables referred to in the quantum algorithm are stored in so-called qubits, i.e. two-state quantum systems.

Dieses Vorgehen sei nunmehr anhand des Flussdiagrammes im Einzelnen erläutert.This procedure is now explained in detail using the flowchart.

Zunächst werden die Anforderungen (11) des Konstrukteurs an das auszulegende Bauteil erfasst. Grundlegende Anforderungen (11) mögen sich aus der vorgesehenen Einbaulage des Bauteiles oder dem dafür verfügbaren Bauraum ergeben. Weitere einschlägige Anforderungen (11) betreffen beispielsweise die Festigkeit der für das Bauteil zu verwendenden Werkstoffe, dessen mechanische Belastbarkeit, Hitze- oder Kältebeständigkeit. Die zur Auswahl stehenden Werkstoffe werden hierzu in einer Datenbank (14) mit Werkstoffeigenschaften verwaltet.First, the requirements (11) of the designer for the component to be designed are recorded. Basic requirements (11) may result from the intended installation position of the component or the space available for it. Other relevant requirements (11) relate, for example, to the strength of the materials to be used for the component, its mechanical strength, and its resistance to heat or cold. For this purpose, the materials available for selection are managed in a database (14) with material properties.

Gemäß einem Quantenoptimierungsalgorithmus (12) wird nunmehr anhand der zu erwartenden CO2-Bilanz oder anderweitiger Nachhaltigkeitskriterien eine Auswahl besonders geeigneter Werkstoffe für das Bauteil zusammengestellt, welche den an letzteres gestellten Anforderungen (11) genügen. In Betracht kommt insbesondere der approximative Quantenoptimierungsalgorithmus (quantum approximate optimization algorithm, QAOA) gemäß FARHI, Edward; GOLDSTONE, Jeffrey; GUTMANN, Sam. A quantum approximate optimization algorithm. arXiv preprint arXiv: 1411.4028, 2014. Stattdessen mag ein kombinatorischer Quantenoptimierungsalgorithmus (12) Anwendung finden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.According to a quantum optimization algorithm (12), a selection of particularly suitable materials for the component is now put together based on the expected CO 2 balance or other sustainability criteria, which meet the requirements (11) placed on the latter. In particular, the approximate quantum optimization algorithm (quantum approxi mate optimization algorithm, QAOA) according to FARHI, Edward; GOLDSTONE, Jeffrey; GUTMAN, Sam. A quantum approximate optimization algorithm. arXiv preprint arXiv: 1411.4028, 2014. A combinatorial quantum optimization algorithm (12) may be used instead without departing from the scope of the invention.

Aus der Auswahl werden schließlich Empfehlungen (13) an den Konstrukteur einschließlich etwaiger Vorschläge für eine abweichende Formgebung des Bauteiles abgeleitet.Finally, recommendations (13) to the designer, including any suggestions for a different shape of the component, are derived from the selection.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren (10) zum Unterstützen eines Konstrukteurs, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - Anforderungen (11) des Konstrukteurs an ein Bauteil werden erfasst, - gemäß einem Quantenoptimierungsalgorithmus (12) wird eine Auswahl an Werkstoffen für das Bauteil zusammengestellt, welche den Anforderungen (11) genügen, und - aus der Auswahl werden Empfehlungen (13) an den Konstrukteur abgeleitet.Method (10) for supporting a designer, characterized by the following features: - the designer's requirements (11) for a component are recorded, - a selection of materials for the component is put together according to a quantum optimization algorithm (12), which meets the requirements (11) suffice, and - recommendations (13) to the designer are derived from the selection. Verfahren (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die zur Auswahl stehenden Werkstoffe werden in einer Datenbank (14) mit Werkstoffeigenschaften verwaltet.Method (10) according to claim 1 , characterized by the following feature: - the materials available for selection are managed in a database (14) with material properties. Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Auswahl erfolgt nach vorgegebenen Nachhaltigkeitskriterien.Method (10) according to claim 1 or 2 , characterized by the following feature: - the selection is based on specified sustainability criteria. Verfahren (10) nach 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Nachhaltigkeitskriterien umfassen eine CO2-Bilanz des Bauteiles.Method (10) according to 3, characterized by the following feature: - the sustainability criteria include a CO 2 balance of the component. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - der Quantenoptimierungsalgorithmus (12) ist approximativ oder - der Quantenoptimierungsalgorithmus (12) ist kombinatorisch.Method (10) according to any one of Claims 1 until 4 , characterized by at least one of the following features: - the quantum optimization algorithm (12) is approximate or - the quantum optimization algorithm (12) is combinatorial. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Anforderungen (11) folgen aus einer vorgesehenen Einbaulage des Bauteiles, - die Anforderungen (11) folgen aus einem für das Bauteil verfügbaren Bauraum, - die Anforderungen (11) betreffen die Festigkeit der für das Bauteil zu verwendenden Werkstoffe, - die Anforderungen (11) betreffen eine mechanische Belastbarkeit des Bauteiles oder - die Anforderungen (11) betreffen eine Hitze- oder Kältebeständigkeit des Bauteiles.Method (10) according to any one of Claims 1 until 5 , characterized by at least one of the following features: - the requirements (11) result from an intended installation position of the component, - the requirements (11) result from an installation space available for the component, - the requirements (11) relate to the strength of the Materials to be used in the component, - the requirements (11) relate to the mechanical strength of the component or - the requirements (11) relate to the component’s resistance to heat or cold. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Empfehlungen (13) umfassen einen Vorschlag für eine abweichende Formgebung des Bauteiles.Method (10) according to any one of Claims 1 until 6 , characterized by the following feature: - the recommendations (13) include a proposal for a different shape of the component. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - einen Quantenprozessor zum Abarbeiten des Quantenoptimierungsalgorithmus (12).Device for carrying out a method (10) according to one of Claims 1 until 7 , characterized by the following feature: - a quantum processor for processing the quantum optimization algorithm (12). Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.Computer program which is set up to carry out all the steps of a method (10) according to one of Claims 1 until 7 to perform. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.Machine-readable storage medium with a computer program stored on it claim 9 .
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