Napredne računalniške optimizacije za razvoj lažjih konstrukcijskih elementov

26.07.2017

Uporaba različnih vrst simulacij v prvih fazah razvoja izdelka je v industriji zadnja desetletja postala stalnica in ustaljena praksa, v največji meri pa se uporablja za virtualna vrednotenja rešitev.

Še posebno mehanski preračuni napetostno-deformacijskih stanj v raznih izdelkih so pri razvoju praktično nuja, saj so večkrat zahtevani že s strani naročnikov oziroma kupcev. Korak naprej od virtualnih vrednotenj v uporabi računalniških tehnologij pri razvoju izdelkov pa predstavljajo tehnologije neparametrične in parametrične optimizacije, s katerimi ne samo vrednotimo obstoječo rešitev, temveč iščemo novo, boljšo in do tega trenutka še neobstoječo rešitev.

Globalni trg danes zahteva, da so novi izdelki vse lažji, cenejši, bolj togi in odpornejši na utrujanje, obenem pa pravočasno lansirani na trg. V zadnjih letih so poleg orodij za simulacije ponudniki programskih rešitev na trg lansirali tudi tehnologije topološke in parametrične optimizacije. V tem prispevku predstavljamo različne različne možnosti, ki jih uporabniku ponuja računalniška optimizacija.

Lastnosti neparametrične optimizacije

Termin neparametrična optimizacija se uporablja za vrsto optimizacij, ki delujejo na nivoju koordinat vozlišč in na vrednostih veličin, računanih direktno na posameznem elementu modela končnih elementov. V tem besedilu je predstavljamo programska orodija za simulacijo in neparametrično optimizacijo, ki jih ponuja podjetje Dassault Systèmes v svoji blagovni znamki SIMULIA.

Optimizacija topologije

Optimizacija topologije se začne z definicijo funkcijonalnega volumna (ang. Design space), v katerem se lahko nahaja sama geometrija. Optimizacijski algoritem iterativno prerazporedi gostoto materiala znotraj tega začetnega prostora na tak način, da minimizira ali maksimizira ciljno funkcijo in zadosti omejitvam. Klasični oziroma šolski primer topološke optimizacije je prikazan na sliki 1, kjer je prikazana topološka optimizacija vilice podvozja. Cilj optimizacije je minimirati deformacijsko energijo (ang. strain energy) in s tem posledično maksimirati togost vilice ob omejitvi, da mora biti volumen začetne zasnove zmanjšan za 57 %. Dodatno je optimizaciji dodana zahteva, da se bodo vilice izdelovale s tehnologijo litja, tako da optimizacija ne sme ustvariti praznin ali negativnih kotov.

Na osnovi neparametrične rešitve lahko izdelamo parametričen CAD model, ki kolikor mogoče natančno popiše površine, dobljene s topološko optimizacijo.

Slika 1

Optimizacija površin

Naslednja vrsta optimizacije v naboru neparametričnih optimizacij je optimizacija površin (ang. shape optimization). Kot že ime pove, je ta namenjena optimizaciji površin modela končnih elementov, pri čemer so spremenljivke, ki jih optimiramo, koordinate vozlišč na površini. Optimizacija površin se uporablja proti koncu procesa konstruiranja, ko je topologija izdelka že determinirana in so dovoljene le še manjše spremembe geometrije.

Običajno je cilj optimizacije površine minimizacija koncentracij napetosti. Optimizacija površine je prikazana na primeru ojnice na sliki 2.

Tako kot v primeru topološke optimizacije, je potrebno tudi tu na osnovi modela končnih elementov izdelati parametričen CAD model, ki s čim večjo natančnostjo popisuje površine.

Slika 2

Optimizacija debeline

Običajno je cilj optimizacije debelin povečanje togosti izdelkov iz pločevine ob hkratni omejitvi skupne teže konstrukcije. Potencial te vrste optimizacije je prikazan na sliki 3, kjer je za namen študije izvedljivosti optimirana debelina pločevine na modelu karoserije vozila, ki ga je razvil NCAC center Univerze George Washington v ZDA.

Rezultat optimizacije je zmanjšana masa karoserije za 15% oziroma 49 kg ob ohranjeni vzvojni, upogibni in osni togosti.

Slika 3

Optimizacija ojačitev

Optimizacija ojačitev pločevinastih izdelkov temelji na teoriji upogibnih linij in je odlično orodje za zvišanje togosti in lastnih frekvenc in s tem akustične emisije tankih pločevinastih izdelkov. Sama optimizacija potrebuje le 2 do 3 simulacije za določitev oblike in višine ojačitev ter lahko v razvoju izdelkov bistveno skrajša čas razvojnega cikla.  Primer optimizacije ojačitev je prikazan na sliki 4.

 Slika 4

V prispevku predstavljene tehnologije računalniške optimizacije ne morejo zamenjati konstrukterskega znanja in veščin, ki jih konstrukteriji pridobijo iz študija ter dolgoletnih izkušenj, lahko pa so pri razvoju lahkih in optimalnih konstrukcij v veliko pomoč. Pomoč računalniških tehnologij je še posebej pomembna pri nosilnih elementih, ki so obremenjeni z različnimi kombiniranimi obremenitvami ob različnih robnih pogojih, saj si je v takšnem primeru težko predstavljati optimalno topologijo izdelka.

CADCAM Lab d.o.o. | Gerbiceva ulica 110 | SI - 1000 Ljubljana

info-si@cadcam-group.eu | +386 1 4267 333