Insinööritieteen laskenta ja mallinnus Computation and Modeling in Engineering (CME) Introduction and motivation to the course and CME minor

Transkriptio

1 Insinööritieteen laskenta ja mallinnus Computation and Modeling in Engineering (CME) Introduction and motivation to the course and CME minor Kirsi Virrantaus Aalto-yliopisto, Insinööritieteen korkeakoulu Rakennetun ympäristön laitos/ Geoinformatiikka MAA-C2005 Geometric models in engineering

2 Contents of the first part 1. Practicalities 2. Motivation to the course 3. History of models 4. Structure of the minor 5. Contents of this course 2

3 1. Practicalities The course is in MyCourses, MAA-C2005 Geometric models in engineering course schedule lecture materials and exercise reports via MyCourses Lectures on Mondays and Wednesdays Exercises depending on the lecture: basically on Tue and Fri, see the course schedule for guidelines 3

4 Professor-in-charge and other lecturers Prof. Kirsi Virrantaus is the professor-in-charge, so any questions to Lecturers are professors, guest lecturers, lecturers, doctoral students Antti Niemi, prof., guest lecturer, Oulu university Jussi Nikander, Dr., Senior Scientist at Luke Jarkko Niiranen, assistant professor Anas Altartouri, Dr., postdoc researcher Juho-Pekka Virtanen, doctoral student Kaur Jaakma, lecturer Jarkko Männistö, project manager, Sito Ltd 4

5 Reading material and grading Lecture slides; will be uploaded in MyCourses before (or just after) the lecture Book chapters mentioned in the course schedule; the list will be updated during the course; at the moment materials for only the first lectures are mentioned Grading of the course is on exam and exercises; very well made exercises will give you +1 for the exam grade (0 will not be upgraded to 1) 5

6 Questions? Exercises Exams Reading materials Mortenson, M., Geometric modeling. Chapters: 1,2 Chapters 4-6 and 8-9 (suitable parts only) Chapter 11 More book chapters from other books 6

7 2. The Challenge of Engineering Surface of the Earth, sea bottom, soils, atmosphere, waters and the changes in them Buildings, streets, roads, railways, connections and their planning and design, construction, use and control Human beings and the functions related to people, planning and design of cities, business and services and their location In Engineering we often use various types of models in planning and design, for visualization, simulation and optimization in order to support decision making We use several different model types, however they have many similarities, and challenges in their interfaces In this course our aim is to combine various views to engineering modelling 7

8 2. Insinööritieteiden haasteena koko ihmisen rakentama ja luonnon ympäristö Maanpinta, merenpohja, maaperä, ilmakehä, vedet, ja muutokset niissä Rakennukset, tie- ja katuverkosto, rautatiet, yhteydet ja niiden suunnittelu, rakentaminen ja käyttö ja ohjaus Koneet ja laitteet, niiden suunnittelu ja tuotanto sekä käyttö ja ohjaus Ihmiset ja ihmisiin liittyvät prosessit, kaupunkien suunnittelu ja kehittyminen; liiketoiminta ja palvelut sekä niiden sijoittelu Asioita tarkastellaan insinööritieteissä usein mallien avulla; ratkaisujen arviointiin ja kehittämiseen, ennustamiseen, riskien arviointiin Erilaisissa malleissa on paljon yhteistä, mutta kuitenkin mallien rajapinnat ovat haaste! 8

9 3 dimensioisia GIS pintamalleja/3d GIS surface models: (Martin Vermeer) TIN (triangular irregular network) malli maanpinnasta; model of the surface of the Earth Gridi -malli merenpohjasta (Outi Nyman,2011); grid model of the sea bottom GIS = geographic information system 9

10 FEM-model of tire Renkaan mallinnus FEM menetelmällä FEM = Finite Element Model 10

11 Esimerkkejä FEM malleista Finite Element Model/Examples of FEM models Esimerkki FEM ja BEM mallin yhdistelmästä Boundary Element Model/Example of a combination of FEM and BEM models BEM = boundary element method (Jani Romanoff, luentomateriaali, 2013) 11

12 Mallien rajapintoja/model interfaces: -Matemaattisista pinnoista koostuvasta kappalemallista (CAD) FEM malliksi -from solid model to a FEM model -FEM and BEM /FEM ja BEM -3D malli rakennuksesta ja GIS maastomalli yhdessä/3d building model and GIS terrain model together (Jani Romanoff, luentomateriaali,

13 2-dimensioinen CAD malli alueesta Computer Assisted Design 2-d CAD-model of an area (Sonja Vilpas, d-työ; 2013) 3-dimensioinen BIM malli rakennuksesta 3d BIM model of a Building BIM = Building Information Model 13

14 Fotogrammetrisesti mitatuista pisteistä luotu kappaleen 3d malli/ object model made by using photogrammetric measurements (Martin Vermeer) Petri Rönnholm, TKK Mareografilla mitattu merenpinnan korkeuden muutos/measuring the sea level rise GIS pohjaisella tieverkon mallilla analysoitu suurtulvan vaikutus/ flood effect to the road network Antti Veijalainen, d-työ; 2008) 14

15 What is Geometric Modeling? Mix of the visual and the analytic in the minds of the users Visual part means the association between the geometric construction and the real world objects Analytic part is the mathematics that is the foundation of GMs The term GM is from late 60 s and early 70 s when computer graphics was strongly developing According to Mortenson (2006) the discipline of Geometric Modelling is interrelated, although somewhat loosely integrated collection of mathematical methods that we use to describe the shape of an object or to express some physical process in terms of an appropriate geometric metaphor The methods: computer aided geometric design, solid modeling, algebraic geometry, computational geometry 15

16 Mitä geometrinen mallinnus on Visuaalisuuden ja analyyttisyyden yhdistelmä käyttäjän mielessä Visualisointi edustaa yhteyttä mallin ja todellisuuden välillä Analytiikka on mallien matemaattinen perusta Geometrinen mallinnus terminä tulee luvuilta, jolloin tietokonegrafiikan kehitys oli voimakasta Mortensonin määritelmä (2006) geometrisestä mallinnuksesta: löyhästi toisiinsa liittyviä matemaattisia menetelmiä, joita käytetään geometristen kohteiden tai fyysisten ilmiöiden kuvaamiseen Käytetyt menetelmät ovat: tietokoneavusteinen geometrinen suunnittelu, kappalemallinnus, algebrallinen geometria, laskennallinen geometria 16

17 Why we need models? Many problems in enineering require design and comparison of several solutions; we need to make decisions on pros and cons of each solution It is too laborous to produce each solution into a real product or other implementation; models are an easy way to represent, visualize, analyse, optimize and simulate solutions Models are substitutes, representations The object we model may exist in reality or then it is product of design Traditionally models were made manually of wood or clay and rendered as sketches and engineering drawings Nowadays models are based on mathematical descriptions, implemented as data models and data structures and visualizaed by applying computer graphics and its rendering capabilities; rendering = esittää digitaalinen malli kuvana 17

18 Mihin malleja tarvitaan? Insinööritieteen ongelmat vaativat suunnittelua ja erilaisten ratkaisuvaihtoehtojen vertailua; hyvien ja huonojen puolien vertailua On liian työlästä toteuttaa jokaista vertailtavaa ratkaisua; mallit ovat helpompi tapa esittää, visualisoida, analysoida, optimoida ja simuloida ratkaisuja Mallit ovat todellisuuden kohteiden sijaisia Malli voi esittää todellisuuden kohdetta tai suunnittelun tulosta Perinteisesti mallit rakennettiin käsin puusta tai savesta tms., ja niitä esitettiin insinööripiirroksilla Nykyiset mallit perustuvat matemattisiin kuvauksiin, ne toteutetaan digitaalisina tietomalleina ja rakenteina ja visualisoidaan tietokonegrafiikan avulla 18

19 19 These old ship hull models can be seen at Kone 3

20 Master s thesis 20

21 21 Manual design

22 22 Modeling vessel hull shape without computer

23 23

24 (von Bock und Polach, 2014) 24

25 3. Evolution of models from 60 s to today Wireframe models; composed of lines and curves, each of them defined separately; stored as a list of lines and curves Polygon models; vertices, edges and faces which are topologically cross-referenced in list structures Applied B-spline curves and surfaces, later NURBS Solid models like boundary representations (B-reps) and constructive solid geometry (CSG) What I would like to add to this development by Mortenson: Applications to larger areas like in urban models Building information models linking databases and geometry Virtual realities as user interfaces Processes between various design, analysis and production phases Interoperability and standardization or interfaces putting models together 25

26 Evoluutio 60-luvulta tähän päivään Rautalankamallit, viivoista ja käyristä, kukin tallennettu erikseen ilman keskinäisiä suhteita; yksinkertainen taulukkorakenne yleinen tallennusrakenne Polygonimallit, solmuista, sivuista ja pinnoista, jotka muodostavat ristiinviittaavan tietorakenteen B-splinit, myöhemmin NURBSit Kappalemallit, B-rep ja CSG Lisäys Mortensonin tekstiin: Sovellukset jotka kattavat laajoja alueita, kuten kaupunkimallit BIM mallit, jotka yhdistävät tietokannat ja geometriamallin Virtuaalimallit käyttöliittyminä Suunnittelu-tuotanto-ohjaus prosessit Yhteentoimivuus ja rajapintojen standardointi useiden mallien liittäminen yhteen 26

27 4. Miksi laskennan ja mallinnuksen sivuaine? Why this CME minor? By using computational methods - analysis, modelling, simulation, data management we can learn about interdependencies between things and phenomena manage complex systems manage risks and uncertainty Computational, theoretical and empirical research complete each others; computational methods could be used more When computational methods are used domain knowledge is required, this is why we can not only rely of experts who does not know our fields This minor does not educate your to experts in computation and modeling but rather to engineers who can communicate with experts like mathematicians, computer scientists etc. 27

28 Mitä laskennallinen tiede on? What is computational science? Laskennallisen tieteen sisältö/contents of computational science: Mallintamis- ja simulointiosaaminen, algoritmit ja ohjelmistot; modelling and simulation, algorithms and software Tietotekniikkaan liittyvä osaaminen, datan käsittely, laitteet, ohjelmistot ja tietoliikennetekniikka; data management, software, communications Tietotekniikan infrastruktuuriosaaminen; infrastructures Avainsanat/Keywords: Mallinnus, Analyysi, Visualisointi, Simulointi, Tiedonhallinta Modelling, Analysis, Visualization, Simulation, Data management Ennustaminen, Arviointi, Riskit, Päätöksenteko, Epävarmuus Predicting, Evaluation, Risks, Decision making, Uncertainty 28

29 Laskennallisen tieteen sovelluksia löytyy kaikilta AaltoENGin alueilta Liikenteen simulointi/traffic simulation Epidemioiden leviämisen mallinnus/epidemic models Ympäristötiedon, bioenergia- ja raaka-ainevarojen mallinnus/models of bioenergy, environmental phenomena Rikollisuuden ja luonnononnettomuuksien ennustaminen/prediction of crime and disasters Mittaus- ja instrumenttiteknologia sekä prosessien diagnostiikka/diagnostics of processes Rakenteiden mitoitus elementtimenetelmällä/structural analysis Laivan kulkuvastuksen laskeminen virtauslaskennan avulla/computational fluid dynamics models Sään ennustaminen, kelin ja liikenneonnettomuuksien ennakointi/weather forecasts, traffic accident prediction Sijoitussalkkujen hallinta ja johdannaisten hinnoittelu/portfolio management 29

30 Mallinnuksen ja laskennan opetuksen peruspilarit 5 kurssia, 5 pistettä/kurssi 1. Geometrinen mallinnus/geometric models ; CAD, BIM, GIS, FEM ja kappalemallit, teoriat ja tekniset toteutukset 2. Todennäköisyysteoriaan ja tilastollisiin menetelmiin pohjautuvat mallinnus- ja analyysimenetelmät sekä epävarmuuden estimointi/ Statistical and stochastic methods 3. Päätöksenteon tuki simuloinnin ja optimoinnin menetelmin; laskennalliset ja visualisoinnin menetelmät/decision support 4. Sovellusläheinen ohjelmointi/application programming 5. Projektityö/Project work ; laskennan ja mallinnuksen menetelmät integroituina teknologioihin kuten paikannus, kuvaus, tunnistus 30

31 At least 3 courses from the minor course plate; 1-2 courses from If you want you can make the minor by selecting minimun 3 courses from the previous course plate 1-2 courses can be selected from Computer science Applied mathematics 31

32 CME-sivuaineen asema opinnoissa CME-sivuaineen voi suorittaa kuka tahansa AaltoENGin kandiopiskelija CME-sivuaine soveltuu kaikkiin kolmeen kandipääaineeseen CME-sivuaine tukee maisteritason pääaineita Sivuaineen opinnot sijoittuvat toiseen ja kolmanteen kandiopiskeluvuoteen CME-sivuaine johdattelee perusteorioihin ja menetelmiin sovellusten kautta Sivuaineen toivotaan avaavan ovia ja herättävän kiinnostusta laskennallisten menetelmien lisäopiskeluun ja hyödyntämiseen omalla alalla 32

33 5. In this course we deal with CAD, BIM, FEM and GIS models CAD computer assisted design BIM builging information model FEM finite element model GIS geographic informaton system; geospatial model These models come from various fields of engineering They have histories of their own but also lots in common They are build on different software platforms In practice they are often used together by several transformations from system to system They are either 2d, 3d or even 4d 33

34 5. Tällä kurssilla käsitellään CAD, BIM, GIS; FEM -malleja CAD computer assisted design, tietokoneavusteinen suunnittelu BIM builging information model FEM finite element model GIS geographic informaton system; geospatial model Mallit ovat syntyneet insinööritieteen eri aloilla Niillä on erilaiset kehityspolut, mutta myös paljon yhteistä Niitä tuotetaan erilaisilla ohjelmistoalustoilla Käytännössä malleja käytetään yhdessä, mallista toiseen siirrytään erilaisten muunnosten kautta 2-, 3-, tai jopa 4-dimensioisia 34

35 How models are created and used? The data used for the model can be a result of: Design process; mechanical engineering, architectural and structural design Measurements or other observations of an object: production control, detection of transformations or movements (robotics) Measurements in larger extent: surveying and mapping The viewpoint to the model can be: Supporting creative design Perform analyses for decision support Visualizing the model as naturally as possible Modelling the object as accurately as possible for production Managing huge amounts of data for integration 35

36 Backgound and purpose of each model type CAD: to draft and design, to support designers design work, to produce exact models for analysis and visualization ; based on computational geometry use of mathematical functions in modeling the geometry; traditionally simple data models (arrays) FEM: to make a model by using non-overlapping composition of simple shapes, to make a model that can be used in structural analysis, for example various loading conditions ; point sets ISOGEOMETRIC ANALYSIS uses FEM and computational gemetry; emphasis on the use of mathematical equations in analysis of various changes of the shape 36

37 Mallien tausta ja tavoite CAD: tavoite tukea suunnittelijan työtä ja tuottaa tarkka malli suunnitellusta kohteesta analyysiä ja visualisointia varten; perustana laskennallista geometriaa; tietomallit yksinkertaisia, tietorakenteena taulukko FEM: tavoite muodostaa malli, jolla objektia voidaan mallintaa, tietomalli: pistejoukko ISOGEOMETRINEN ANALYYSI: FEMin ja laskennallisen geometrian yhteiskäyttö, muodonmuutosten analysointi 37

38 GIS: for modeling larger extents of the real world, not only design of objects; often used as a decision support tool; modeling basd either on discrete object models or continuous field models of geospatial (geographically referenced) data; topological data structures and spatial indexing methods required; integration to data bases BIM: topological models of objects and sites; each objects understands its relationships to other objects; includes data base support for huge amount of attribute data ; topological data structres, integration to data bases 38

39 GIS: laajojen aluekokonaisuuksien tiedonhallintaan; analyysiin ja päätöksenteon tueksi; kohteen mallinnetaan joko diskreetteinä kohteina topologisin tietorkentein tai kenttinä gridirakenteella tai esim. TIN-verkolla BIM: suunnittelu ja rakentamishankkeiden koknaisvaltaiseen integroituun hallintaan; topologiset tietomallit geometriasta, linkki tietokantoihin 39

40 KEYWORDS FOR EACH MODEL WHAT TO LEARN FIRST FROM EACH MODEL COMMON TOPICS BETWEEN MODELS FEM MESH OF ELEMENTS (NETWORK OF TRIAGLES, SQUARES ETC ) mesh structure isogeometric analysis computational geometry mathematics GEOMETRIC MODELS CAD NURBS (SPLINES) visualization GIS OBJECT DATA MODELS (POINTS, LINES, POLYGONS) FIELD DATA MODELS (GRID MODELS) data management topological data models BIM OBJECT ORIENTED TOPOLOGICAL MODELS (CONNECTTIVITY, ADJACENCY) 40

41 Lectures, lecturers and topics in this course GIS Kirsi Virrantaus; FEM Jarkko Niiranen Presentations of curves and surfaces, NURBS/SPLINES Antti Niemi Data structures & algorithms, terrain models Jussi Nikander Models of objects, from CAD to BIM, Anas Altartouri Data acquisition and models of built environment Juho-Pekka Virtanen FEM and isogeometric analysis Jarkko Niiranen 41

42 Mathematical definition of curves and surfaces Antti Niemi Data acquisition Juho-Pekka Virtanen Data structures Jussi Nikander Geometric Model Data models of objects, modeling engineering and architectural designs, city models Anas Altartouri Solid models Geospatial models City models Kirsi Virrantaus Modeling built environment Juho-Pekka Virtanen Modeling for analysis Jarkko Niiranen 42