| Software | Simulation-driven Design | Metody pro strukturální optimalizace

Jak vybrat správnou metodu pro strukturální optimalizace

Výrobci neustále hledají způsoby, jak navrhnout lehké, nákladově efektivní a vysoce výkonné produkty. V tomto článku si představíme některé z optimalizačních metod, které jsou součástí tzv. přístupu Simulation-driven Design, potažmo v softwarových nástrojů od společnosti Altair. V Simulation-driven Design postupech se využívají CAE simulace přímo pro pomoc s hledáním nejvhodnějšího konstrukčního řešení, tedy nejen pro klasické ověřování mechanické odolnosti. Řekneme si také, jak a kdy tyto optimalizační metody použít v procesu vývoje výrobku. 

This article is based on the article How to Choose the Right Method for Structural Optimization published in English on the Altair newsroom website.

Topografické optimalizace

Metoda topografické optimalizace pomáhá vývojovým inženýrům navrhovat a optimalizovat nejrůznější tenkostěnné díly. Ty lze snadno promáčknout nebo jinak nežádoucím způsobem zdeformovat. Podobně jako blána bubnu, mohou být tenké plechové struktury také snadno rozkmitány, což za určitých podmínek způsobuje nežádoucí hluk, vibrace, či dokonce jejich poškození.

Pro zlepšení vibračních charakteristik a zvýšení tuhosti se do konstrukce přidávají místní modifikace tvaru – typicky prolisy. Umístění, tvar a orientace těchto prvků bývají většinou založeny na přirozené geometrii součásti a na zkušenostech konstruktéra. Topografická optimalizace umožňuje návrhářům definovat prostory, kam lze nebo nelze přidávat tato tvarová vyztužení/prolisy, definovat jejich šířku, orientaci, úhel a výšku. Algoritmem implementovaným v CAE nástroji jsou pak generovány pouze prakticky použitelná tvarová řešení, a to s optimálním rozmístěním těchto prvků.

Softwarově optimalizované řešení prolisů často výrazně překonávají tradiční, ze zkušeností vycházející, řešení. Takto se daří maximalizovat tuhost, frekvenční odezvu nebo jiné konstrukční cíle – a to bez zvýšení hmotnosti nebo dopadu na náročnost výroby.

Topologické optimalizace

Představte si jednoduchý nosník, který je zatížen jedinou silou. V takovém případě inženýři obvykle vystačí se zkušenostmi a klasickým analytickým výpočtem. Snadno navrhnou velmi dobře vyhovující funkční řešení. Ale problémy nastávají, když řeší s tvarově složitou součást uzavřenou do velmi omezeného prostoru a je třeba zajistit, aby nedocházelo ke kolizím s ostatními díly sestavy nebo mechanismu. A pokud je navíc třeba uvažovat více zátěžových stavů od více působících sil a momentů, není nalezení dobrého řešení vůbec jednoduché. V této situaci konstruktéři přivítají „pomocnou ruku“ CAE simulací.

Namísto pouhých validací, tedy ověřování existujícího konstrukčního řešení, využívají se CAE simulace přímo k návrhu ideálního tvaru součástí. Topologická optimalizační metoda, díky implementovaným fyzikálním výpočtům a algoritmům zohledňujícím podmínky vyrobitelnosti, napomáhá tvorbě inovativních tvarových řešení, kde návrhy stačí poměrně snadno dovyvinout do v praxi použitelného výrobku. Softwarové implementace dále umožňují rychlé re-analýzy a snadné porovnávání navržených variant řešení, čímž dále přispívají k celkovému zvýšení produktivity vývoje. V neposlední řadě může topologická optimalizace upozornit na příležitosti pro sloučení více dílů v jeden, tedy napomůže výrobním úsporám díky snížení celkového počtu dílů výrobku.

Inženýři mohou aplikovat podmínky vyrobitelnosti (manufacturing constraints) již v počátečních fázích návrhu, včetně materiálových vlastností, symetrie, směru vyjmutí z formy, směru protlačování, podmínek pro zamezení vzniku dutin u slévání, úhlu převisu u 3D tisku apod. Mohou definovat, ve kterých místech může či nemůže být materiál a aplikovat všechna očekávaná zatížení, která mohou v provozu nastat. Topologická optimalizace vytváří nejvhodnější, vyrobitelné struktury, které splňují optimalizační cíle s minimální hmotností nebo maximální tuhostí.

Size, Shape, and Free-Shape optimalizace

Topologická a topografická optimalizace přinášejí na výstupu skvělé koncepty, ale i ta nejslibnější nová tvarová řešení je třeba doladit. Zde přichází na řadu optimalizace rozměrové, tvarové a tzv. free-shape.

Rozměrová („size“) optimalizace se typicky používá k nalezení optimálních řešení pro klíčové parametry produktu, jakými jsou rozměry průřezů, parametry materiálu a podobně.

Když vývojoví inženýři během počáteční analýzy konceptu vidí místa s vysokou koncentraci napětí, začnou optimalizovat pomocí „shape“ a „free-shape“ optimalizace tak, aby snížili riziko selhání produktu z důvodu vysokého namáhání. Shape optimalizace vylepšuje stávající geometrii úpravou výšky, délky nebo rádiusů návrhu – přetvořením FE modelu (tzv. „morphingem“) součásti tak, aby se napětí rozložilo rovnoměrněji.

Free-shape optimalizace poskytuje ještě větší flexibilitu tím, že umožňuje návrhářům označit oblast, na kterou je zaměřena potřeba snížení napětí. Software poté pro ni vytvoří novou, vylepšenou geometrii. Tato metoda přináší velkou volnost, jak optimalizovat zkoumanou součást. Na druhou stranu je ale třeba brát v úvahu to, že tato metoda nezachová drobné konstrukční prvky, jakými jsou např. zaoblení.

Obecně, při aplikaci optimalizačních metod je vždy třeba detailně rozumět požadavkům na konstruované řešení, účelům funkčních ploch součásti, geometrickým omezením, ale také jednotlivým metodám tak, abyste pro jemné doladění zvolili ten nejvhodnější optimalizační nástroj a pracovní postup.

Free-Size optimalizace

Free-size optimalizace je nejspecializovanější ze zde představovaných optimalizačních metod. Hodí se k optimalizaci obráběných součástí nebo plechových svařenců. Nejčastěji se však používá při návrhu složitých vrstvených laminátových/kompozitních struktur.

Free-size optimalizace pomáhá inženýrům najít optimální řešení laminátových kompozitů: optimální tloušťky pro různé směry vláken, tvary jednotlivých plátů a nejvhodnější pořadí vrstev. Lze definovat podmínky vyrobitelnosti (manufacturing constraints) – jakými jsou počet směrů vláken, maximální tloušťka každé orientace/vrstvy a celková tloušťka sesatveného laminátu. Následně pak můžete rychle vytvořit ideální koncepční návrh.

Free-size optimalizace využívá koncept supervrstvy k definování spojitého rozložení tloušťky pro každou orientaci vlákna, které splňuje požadavky na navrhovanou součást. Poté mohou inženýři doladit návrhy pomocí optimalizace velikosti skupin vrstev. Každá skupina představuje více vrstev stejné orientace a tvaru při zohlednění podrobných omezení jejich chování, včetně porušení vrstvy. Nakonec optimalizace pořadí vrstev navrhne výsledný laminátový díl tak, aby vyhovoval všem podmínkám vyrobitelnosti a zároveň poskytoval optimální mechanické vlastnosti.

Podmínky vyrobitelnosti, ověřování vyrobitelnosti

V předchozích odstavcích jsme několikrát zmínili termín manufacturing constraints, tedy podmínky vyrobitelnosti. Kvalitní a pokročilé optimalizační algoritmy musí umět zohlednit řadu omezení, které vyžaduje zvolená výrobní technologie. V opačném případě z optimalizace dostáváme tvarové řešení, které nebude možné vyrobit. Zvolená výrobní technologie velmi zásadním způsobem určuje, jak bude optimalizovaná součást vypadat.

Výsledky topologické optimalizace pro jedno zadání a různé výrobní technologie. Podmínky vyrobitelnosti zcela zásadně ovlivňují, jak bude součást vypadat.

Jestliže aplikujeme podmínky vyrobitelnosti, nemáme ještě záruku jakosti výrobku. Je třeba ověřit, zda pro naši, z pohledu mechaniky optimalizovanou součást, nevzniká v nějakých místech zvýšené riziko výskytu výrobních vad, jakými mohou být např. různé porozity, studená čela, smrštění a deformace pro slévání či vstřikování nebo nadkritické ztenčení, zvrásnění či trhliny u výlisků. K tomu slouží simulační nástroje pro ověřování vyrobitelnosti a detailní simulace výrobních procesů. Ty jsou pro každou výrobní technologii s ohledem na fyzikální jevy specifické.

Simulace výrobních procesů a ověřování vyrobitelnosti představují samostatné softwarové nástroje se specifickými řešiči pro slévání, lisování, vstřikování plastů a PU pěny, protlačování či aditivní výrobu.

Další informace o těchto metodách a aplikacích též naleznete na stránkách Altair.