kokotinaTypů optimalizací je celá řada a optimalizovat lze kdeco. Od finančních nákladů, přes pracovní postupy až po tvarovou – neboli strukturální – optimalizaci navrhovaných produktů za účelem zlepšení požadovaných vlastností, zpravidla s ohledem na co nejnižší jejich hmotnost. A právě jejím možnostem se věnuje následující text.


Optimalizací můžeme do návrhu produktu zasáhnout v různých částech jeho vývoje, podle toho, co od ní očekáváme. Největší flexibilita pro ovlivnění výsledného tvaru výrobku leží v koncepční fázi, kdy máme okrajové podmínky návrhu nejmírnější. Mezi koncepčními strukturálními optimalizacemi nalezneme následující typy:


Topologická optimalizace

Tento přístup slouží k vytváření inovativních koncepčních návrhů takřka na zelené louce. CAE řešič generuje optimální návrh pro nejúčinnější rozmístění materiálu uvnitř uživatelsky definovaného návrhového prostoru na základě cílů návrhu, okrajových podmínek a parametrů výrobního procesu.

Topografická optimalizace

U tenkostěnných struktur, typicky plechů, se k zesílení struktur často používají prolisy nebo kování. Pro dané přípustné rozměry prolisů generuje technologie topografické optimalizace takové návrhy konstrukčního řešení, aby tvar a umístění prolisů bylo vzhledem k zátěžovým stavům ideální.

Free-Size optimalizace

Ta se široce se používá při hledání optimálního rozložení tloušťky v obráběných kovových strukturách. Tloušťka elementu výpočetní sítě je v tomto případě konstrukční proměnnou, která je optimalizována s ohledem na vyhovění daným okrajovým podmínkám zatěžování. Free-size optimalizace je i jednou z fází procesu návrhu kompozitu, při níž se hledají ideální tloušťky jednotlivých vrstev takové struktury.

 

 

 

 

Velké možnosti optimalizace v koncepční fázi nabízí v dnešní době aditivní výroba. Nepřekonatelná flexibilita, kterou aditivní výroba nabízí, umožňuje vytvářet složité geometrie, které tradičními výrobními metodami jako jsou lití nebo ražení, nelze vyrobit.

Unikátní možností 3D tisku je výroba dílů s porézní trámčitou (mřížkovou) strukturou. Takové struktury nabízejí řadu žádoucích charakteristik, jako je nízká hmotnost a zlepšené tepelné vlastnosti. U takového struktury může chladicí médium procházet prakticky celým objemem dílu a zvýšit tak účinnost chlazení. Porézní trámčité struktury jsou velmi žádoucí i v oblasti biomedicíny. Tam jsou využívány pro konstrukci implantátů, jež mají díky porozitě schopnost usnadnit integraci tkáně do implantátu. Při navrhování těchto struktur se provádí zpravidla dvoufázová optimalizace. Nejprve se přistoupí k topologické optimalizaci, která zvolí nejlepší rozmístění materiálu v návrhovém prostoru, a následně se ve druhé fází tento navržený tvar proloží trámčitou strukturou, na které jsou optimalizovány průměry jednotlivých trámků podle toho, jak výrazně jsou zatěžovány.

 

 Ke zvládnutí optimalizace konceptu lze z balíku Altair HyperWorks doporučit nástroj Altair Inspire nebo Altair OptiStruct. Prvně jmenovaný určený spíše pro konstruktéry, druhý je pak čistokrevný výpočtářský nástroj.

Ladění konstrukčního návrhu

Doladění konstrukčního návrhu se používá, když jsou změny návrhu omezeny na měnící se rozměry (výška, délka, poloměry, tloušťky) nebo parametry modelu (vlastnosti materiálu, zatížení). Parametrizace se provádí v závislosti na typu parametru; tj. pokud je parametr hodnotou ve výpočetním modelu (tím je třeba tloušťka) lze použít size optimalizaci. Pokud parametr nemá odpovídající hodnotu, ale vyžaduje modifikaci modelu (například zaoblení v modelu konečných prvků), můžeme použít shape optimalizaci.

  • Shape optimalizace 

Tento typ optimalizace se používá k upřesnění existujícího návrhu pomocí tvarových proměnných.

  • Neparametrická shape optimalizace

Tato technika automaticky generuje tvarové proměnné a určuje optimální tvarové obrysy na základě požadavků na design. To zbavuje uživatele nutnosti definovat tvarové proměnné a umožňuje větší flexibilitu zlepšení designu. Optimalizace volného tvaru je velmi účinná především při snižování koncentrací napětí.

  • Size optimalizace

Najde optimální parametry modelu, jako jsou vlastnosti materiálu, rozměry průřezů a tloušťky.

  • Návrh kompozitních laminátů

Modelovací přístup založený na vrstvách výrazně zjednodušuje modelování kompozitních laminátů a umožňuje optimalizovat tloušťky a pořadí vrstev. Optimalizací tloušťky skupiny vrstev lze určit optimální počet vrstev na orientaci materiálu nebo vlákna. Pro zvládnutí těchto typů optimalizací je velmi vhodné využít Altair Optistruct, který neparametrickou shape optimalizaci provádí díky unikátní patentované technice. Unikátní napříč všemi řešiči je i detailní třífázová optimalizace kompozitních laminátů.

 

Multidisciplinární optimalizace

Návrh inženýrských aplikací musí někdy zahrnovat několik různých aspektů jakými jsou náklady, strukturální vlastnosti, životnost, vyrobitelnost apod. Každý z těchto aspektů obvykle řeší příslušný tým odborníků. Tyto týmy odborníků pracují pouze na svých úkolech s minimálním ohledem na ostatní oborové týmy. To může ve výsledku znamenat velké kompromisy v ostatních aspektech a také potřebu neustálé synchronizace návrhů. Spojení návrhů, pro něž se každý tým rozhodl, a synchronizace jsou značně náročné na zdroje. Ušetření těchto zdrojů a problémů lze pomocí multidisciplinární optimalizace.

Multidisciplinární optimalizace je metodika optimalizace, která zohledňuje všechny zahrnuté disciplíny. Modely z každé disciplíny se používají v rámci jedné studie, přičemž každá disciplína typicky používá jiný simulační nástroj. Modely z těchto oborů budou mít některé sdílené proměnné návrhu a tyto proměnné jsou během studie vzájemně propojeny.
Aby mohl softwarový nástroj efektivně řešit multidisciplinární úlohy, musí být schopen komunikovat s mnoha solvery. Rovněž musí mít intuitivní uživatelské rozhraní, které usnadní nastavení takových komplexních studií.
Otevřená architektura nástroje Altair HyperStudy umožňuje snadnou integraci mnoha solverů pro multidisciplinární strukturální studie. Přímá integrace HyperStudy s HyperMesh a MotionView umožňuje přímou parametrizaci vstupních dat konečných prvků, multi-body dynamiky a dynamiky tekutin. HyperStudy čte data výsledků populárních řešičů, jako jsou OptiStruct, RADIOSS, AcuSolve, MotionSolve, FEKO, Abaqus, Ansys, Fluent, Star-CD, Nastran, Excel atd.

Optimalizace v praxi
Jako příklad úspěšné optimalizace v praxi můžeme uvést příběh společnosti Amazone – německé společnosti s více než 130letou tradicí výroby zemědělské techniky. Ta si dala za cíl přepracovat původně svařovanou komponentu zavěšení ramen talířové brány Catros-2TS na odlitek a zároveň při tom snížit hmotnost tohoto dílu a zvýšit jeho životnost.
Odlehčení tohoto dílu nabízí další výhodu pro zemědělce. V případě lehčího závěsného zařízení má více možností pro výběr doplňkových zařízení. Například, pokud je to nutné, může si vybrat těžší válec pro intenzivnější zpevnění půdy a zároveň by nedošlo k překročení celkového zatížení náprav s tímto lehčím závěsným zařízením.

Původně byla Catros-2TS poměrně složitá svařovaná součást o hmotnosti 245 kg, včetně 16,5 m dlouhých svarových švů potřebných ke spojení jednotlivých dílů. Tolik svařování je z pohledu výroby náročné časově i nákladově. Každý rok se vyrábí přibližně 350 kusů těchto dílů. Aby bylo možné splnit cíle optimalizace výrobního procesu a zvýšit jeho životnost, podívali se inženýři společnosti Amazone pozorněji nejen na konstrukci dílu, ale také zhodnotili potenciální výhody, které by mohl nabídnout nový výrobní postup v kombinaci s topologickou optimalizací. 

Prvním krokem bylo posoudit úsporu hmotnosti a vylepšit tvar tak, aby bylo možné díl efektivně vyrábět odléváním. Za tímto účelem byla provedena předběžná topologická optimalizace. Společnost Amazone navíc použila metodu tzv. model based designu, aby eliminovala zbytečné vývojové iterace mezi konstruktéry a výpočtáři a aby rychleji dosáhla konečného návrhu. Tyto úkoly byly řešeny pomocí dvou nástrojů od společnosti Altair. Strukturálním řešičem a optimalizačním nástrojem OptiStruct ze softwarového balíčku HyperWorks a optimalizačním nástrojem Altair Inspire.

Z výsledku optimalizace vytvořili inženýři detailní konstrukci, která byla následně pevnostně analyzována nástrojem OptiStruct, který pracuje na základě metody konečných prvků. V porovnání se svařovanou konstrukcí má odlitek nižší hmotnost a hladší tvarové přechody v konstrukci, což vede k menším odchylkám v tuhosti. Celkové napětí v odlitém materiálu nového dílu bylo podstatně nižší ve srovnání se zatížením ve svařovaných spojích původní sestavy. Následné reálné zkoušky ukázaly, že díky optimalizovanému tvaru odlitku, se životnost zvýšila 2,5x, zatímco hmotnost se snížila o 8 %.
Nová verze závěsného zařízení je již v provozu a snížila výrobní náklady společnosti Amazone o jednu třetinu ve srovnání s předchozí svařovanou konstrukcí. Díky opětovné použitelnosti licí formy byly náklady na licí formu rychle amortizovány. Zákazníci mají prospěch z vyšší flexibility v doplňkových modulech a z prodloužené životnosti produktu.

Snímka obrazovky 1

Snímka obrazovky 6

Postup topologické optimalizace nového konstrukčního řešení zavěšení talířové brány: definice návrhového prostoru, nalezený teoreticky optimální tvar a konstrukční řešení.

 

Snímka obrazovky 25

Ověření namáhání na původním a novém konstrukčním řešení

 

Amazone Title

Porovnání geometrie původního, optimalizovaného dílu a optimalizační studie v další etapě projektu.

 

Zvládnutí optimalizace

Pokud Vás optimalizační přístupy zaujaly a vidíte, že by pro Vás měly přidanou hodnotu, můžete využít zkušenosti odborníků ze společnosti Advanced Engineering s.r.o. Ti Vám pomohou s nalezením ideálního optimalizačního nástroje přímo podle Vašich potřeb a řešených úloh, se získáním know-how a využitím všech možností nabízených nástrojů, nebo pro Vás optimalizační úlohu rovnou vyřeší.

 

Foto/Zdroj: Advanced Engineering s.r.o.