Un equipo de investigadores liderado por Sandia National Laboratories ha inventado un software único de automatización de modelado 3D complejo para que los científicos creen representaciones digitales precisas de objetos ahorrando horas de trabajo manual.
El nuevo software, VoroCrust, ofrece una forma novedosa para crear representaciones digitales, llamadas mallas, que utilizan los científicos en muchas disciplinas que trabajan con modelos geométricos de todo tipo de piezas, desde rotores hasta ruedas y equipos de protección. Las mallas complejas a menudo tienen curvas, bordes afilados o agujeros. Una vez creados, se ven como imágenes en 3D que se pueden usar en simulaciones por computadora que incorporan algoritmos para determinar cuándo las piezas pueden fallar en condiciones extremas.
Este es un aspecto útil, y a menudo esencial, del diseño antes de crear prototipos y piezas para pruebas reales.
Por ejemplo, un científico en la industria aeroespacial podría hacer una malla de un ala de avión y ejecutarlo a través de una simulación por computadora para aprender más sobre lo que le sucederá con viento fuerte y temperaturas extremas. Algunos científicos también usan mallas para modelar la geología para anticipar cambios subterráneos, como los flujos subterráneos de líquidos o contaminantes.
VoroCrust incorpora tipos especiales de células poliédricas 3D llamadas células Voronoi para crear las mallas, dijo el científico informático y líder del proyecto de Sandia, Mohamed Ebeida. La mayoría de los otros métodos de generación de malla utilizan células tetraédricas o hexaédricas 3D que pueden tener baja calidad o son difíciles de automatizar, dijo. Los métodos existentes para la malla Voronoi no siempre se ajustan a todas las esquinas y ángulos de los objetos complejos. Esto se puede solucionar con trabajo manual, pero es un proceso tedioso que puede llevar una cantidad significativa de horas de trabajo, dijo Ebeida.
Primer Software sin necesidad de ajuste manual del modelado 3D complejo
VoroCrust es el primer software que genera mallas de células Voronoi que se ajustan a modelos complejos sin necesidad de repararlo manualmente, dijo Ebeida. Lleva más de tres años trabajando en el software y dijo que el software podría reducir muchas horas de trabajo manual que los científicos dedican al modelado 3D.
«Sandia identificó el mallado como el mayor cuello de botella en estos análisis«, dijo Ebeida. «Las prácticas actuales requieren intervención humana, y VoroCrust nos proporciona un camino hacia la automatización de este proceso para aliviar al personal técnico al reducir el tiempo dedicado a corregir errores de modelado generados por computadora».
Un informe reciente que describe VoroCrust ha sido revisado y aceptado en Transaction on Graphics y se presentará en SIGGRAPH 2020, una conferencia de gráficos por computadora dijo Ebeida, y agregó que «esto es un gran honor«.
El software fue desarrollado en colaboración con la Universidad de Maryland, College Park, la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de California, Davis.
Cómo funciona VoroCrust
En el modelado 3D, los analistas crean mallas que parecen conchas geométricas alrededor de los objetos que necesitan analizar. Idealmente, la malla se verá exactamente como el objeto y se ajustará a todos los bordes, pero eso no siempre es fácil con las técnicas de mallado actuales.
Los métodos de mallado comunes suelen usar las celdas tetraédricas y hexaédricas para llenar el espacio de un objeto, comenzando desde el interior del objeto hacia sus límites exteriores. Sin embargo, los problemas ocurren cuando las celdas no se ajustan a la forma cerca del límite. La solución manual de este problema no siempre es confiable y a veces cambia las propiedades matemáticas del modelo final, dijo Ebeida.
Una manera de imaginar el proceso de mallado es pensar en llenar un colchón. Los «cojines» tetraédricos podrían llenar el espacio fácilmente, pero podrían ser demasiado firmes.
Los cojines hexaédricos podrían ser más flexibles, pero podrían no seguir los bordes a lo largo de la parte superior o las esquinas debido a su estructura fija. El uso de material flexible como un poliedro que puede tener un número arbitrario de lados podría facilitar el llenado de todas las áreas y esquinas del colchón.
Ebeida dijo que, para automatizar completamente el proceso de mallado, su equipo no solo usó poliedros, sino que también revirtió el enfoque estándar y encontró una manera de comenzar en el límite, en lugar de en el medio, de un modelo 3D. El equipo colocó cuidadosamente puntos, llamados semillas, alrededor de los límites de los objetos geométricos que luego se convirtieron en puntos de apoyo para las células Voronoi. Una vez que se completa el exterior del límite, el interior del objeto se puede llenar con celdas de Voronoi adicionales.
Ahmed Abdelkader, estudiante de doctorado en la Universidad de Maryland, trabajó en VoroCrust con Ebeida y describió las ventajas de usar células Voronoi.
«Las facetas son más limpias, como piedras preciosas o diamantes» —dijo Ahmed Abdelkader— «Pueden encajar perfecta y naturalmente«.
Según Abdelkader, las curvas presentan desafíos usando los ejemplos de cuencos y objetos más complejos como motores. Dijo que tomó mucho trabajo precisar el ingrediente necesario que uniese las piezas perfectamente en una prueba matemática. Ahora, dijo, el equipo está emocionado de aprovechar esta comprensión más profunda para mejorar el software con más funciones.
«La magia Voronoi sucederá«, dijo Ebeida. «Una vez que descompone el objeto en estas piezas bien formadas, estas celdas, puede combinar cualquier modelo que desee con confianza sobre la calidad de la malla resultante sin ningún procesamiento posterior«.
(Imagen: Sandia National Laboratories). Estas imágenes muestran modelos 3D creados con VoroCrust, el primer software que genera mallas de células Voronoi sin necesidad de repararlo manualmente. Los investigadores dirigidos por Sandia National Laboratories crearon el software.
El software 3D podría tener un amplio uso para el gobierno y la industria
Al trabajar en VoroCrust, el objetivo era crear un software lo suficientemente robusto como para modelar cualquier objeto necesario para la simulación, dijo Ahmed Mahmoud, un estudiante de doctorado de la Universidad de California que trabajó en el software.
La gerente de Sandia, Emily Stein, y la ingeniera de investigación Tara LaForce han utilizado VoroCrust para hacer modelos geológicos para la eliminación profunda de desechos nucleares como parte de la Campaña de Ciencia y Tecnología de Residuos Gastados y Combustibles Gastados del Departamento de Energía que lidera Sandia. Además del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio, la campaña contribuye con fondos para el desarrollo de VoroCrust.
Dos prioridades de la campaña son crear conceptos de diseño y enfoques de modelado numérico para sistemas de eliminación. VoroCrust podría crear una malla de un depósito subterráneo y los desechos en él; o podría crear una malla de la geología subterránea. Esta malla se puede usar para resolver el flujo subterráneo de líquido o gas en material poroso o el transporte de contaminantes dentro de los fluidos.
LaForce dijo que VoroCrust ofrece capacidades prometedoras para crear una malla que pueda ejecutarse en un plazo razonable. Stein agregó que otros métodos de mallado a veces distorsionan la malla, creando una simulación que no es tan precisa como podría ser.
«La idea es que podríamos tomar el modelo geológico tal como es y ejecutarlo sin manipulación adicional«, dijo LaForce.
Carl Gable, el líder del grupo Computational Earth Sciences en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, también ha utilizado VoroCrust para crear modelos geológicos como parte de la campaña.
«Si está haciendo un avión, un submarino o un automóvil, uno de los primeros pasos es construir el marco computacional de aquello está tratando de representar«, dijo Gable. «En nuestro caso, es geología. Necesitamos representar túneles, botes y paquetes de desechos, y también necesitamos representar el sistema natural, el sistema geológico, y VoroCrust es una herramienta que es buena para hacerlo”.
Esta imagen muestra una malla VoroCrust para un modelo geológico con siete capas. Sandia National Laboratories y Los Alamos National Laboratory han utilizado el software para hacer modelos geológicos como parte de la investigación relacionada con la eliminación geológica de combustible nuclear gastado y desechos nucleares de alto nivel. (Imagen creada por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos)
A la espera de que el software definitivo pueda ser utilizado
Ebeida dijo que, si bien el problema de investigación de crear mallas geométricas con células Voronoi se ha resuelto, la disponibilidad técnica del software no está en un lugar en el que pueda utilizarse de forma inmediata.
El gerente de Sandia, Joe Bishop, que ha estado interesado en VoroCrust durante años, dijo que los ingenieros de modelado y simulación de su equipo podrían beneficiarse del software para simulaciones si los paquetes de software actuales pueden aprovechar los elementos poliédricos.
«Necesitamos saber si podemos ejecutar nuestras simulaciones en estos objetos y compararlos con los métodos tetraédricos y hexaédricos«, dijo. “VoroCrust es una herramienta prometedora. Podría proporcionar la geometría, y nosotros haríamos la física”.
Fuente: Sandia National Laboratories
