Paraméteres szerkezetoptimálás CATIA V5-ben

A paraméteres szerkezetoptimálásnál egy kezdeti modellből kiindulva, kereső eljárásokat alkalmazva egy kedvezőbb konstrukciós kialakítás megtalálása a fő cél. A folyamat leegyszerűsítve a következő lépésekből áll (1.ábra): a CATIA CAD moduljában paraméterezett 3D-s modellt készítünk. Ezután végeselemes szimulációval (FEA) ellenőrizzük, hogy az alkatrész vagy összeállítás megfelel-e a szilárdsági követelményeknek. Az iterációs ciklus harmadik eleme (Engineering optimizer) a végeselemes analízis eredménye és az elérni kívánt célfüggvény alapján automatikusan vezérli a CAD modell paramétereit. Mivel a folyamat CATIA környezetben zajlik, ezért ezt egyszerű definiálni és az információ átadása a modulok között akadálytalan.

1. ábra Paraméteres szerkezetoptimálás egyszerűsített folyamata

A módszert részletesen egy CATIA V5-6R2014-ben készített példán keresztül mutatjuk be.

Versenyautó felni paraméteres szerkezetoptimálása

2. ábra Alumínium felni 3D modellje CATIA V5-ben (kiindulási állapot)

A versenysportban a felnikkel szemben számos követelményt támasztanak a fejlesztők. Nagyon fontos, hogy a felni tömege és a tehetetlenségi nyomatéka a lehető legkisebb legyen, miközben az alkatrész megfelelő merevséggel rendelkezik az extrém terhelésekkel szemben. Az alkatrész tömege a teljesítményt nem csak a teljes jármű tömegének csökkenésén keresztül befolyásolja, hanem a kerék rugózatlan tömegnek számít, ezért a felfüggesztés hatékonyságára is nagy hatással van. A kerékcsapágy tengelyére számított tehetetlenségi nyomaték értékét is érdemes minimalizálni. Alacsonyabb tehetetlenségi nyomaték esetén a kereket könnyebb felgyorsítani és lelassítani, ezáltal a teljes versenyautó gyorsulása és fékezési teljesítménye növekszik. Végül a felni merevsége is kulcsfontosságú, különösen a nagysebességű kanyarodás során. Példánkban függőleges irányban 6000N erőt veszünk figyelembe, ami az autó önsúlyából és a leszorító erőből származik, valamint vízszintes irányban 8000N erő hat, ami pedig a kanyarodás során ébredő centripetális erőből származik. Az optimálás célja az, hogy a CAD modellünk néhány paraméterét változtatva, találjunk egy olyan geometriát, amivel elérhető, hogy alacsonyan tartsuk a felni tömegét, és közben ne lépjük túl az alumínium öntvényre megengedhető maximális egyenértékű feszültséget.

Az alkatrész parametrikus 3D modelljének elkészítése

A tervezési változókat a CAD geometrián megadott parametrikus méretek közül választhatjuk ki, ezért a geometria és az építőelemek vázlatainak gondos felépítése nagyon fontos (1. ábra). Az optimálási példánkban a cél a tömeg minimalizálása, miközben a kivágás építőelem vázlatának megfelelő méreteit változtatjuk.

Az optimálási feltételként a von Mises szerinti egyenértékű feszültséget a teljes alkatrészre vonatkozóan 125MPa alatt szeretnénk tartani.

3. ábra A felni zsebeinek vázlata

Szerkezetanalízis modell felépítése

A feladat során egy lineárisan rugalmas, statikai analízist definiálunk, kis elmozdulásokat feltételezve. A felni a tengelycsonkhoz kapcsolódik, amin keresztül definiáljuk az erő terhelést, ami az autó önsúlyából származó erőből (6000N) és a kanyarodásból származó erőből (8000N) áll össze. A feszültségi optimálási feltétel kiértékeléséhez végeselemes számítás is szükséges. A végeselemes számítások CATIA Generative Structural Analysis-al készültek, amelyek alapjául szolgálnak a paraméteres szerkezetoptimálásnak. A végeselemes háló készítéséhez a CATIA beépített OCTREE automatikus hálógenerálóját használjuk, amivel másodrendű tetraéder elemeket hozunk létre.

Az optimálási célfüggvényünk a tömeg, amit a CATIA CAD modulja automatikusan képes meghatározni.

Optimálási paraméterek beállítása

A CATIA V5-ben van egy Product Engineering Optimizer modul, ami lehetővé teszi, hogy optimálási algoritmusokat alkalmazzunk. Az optimálás során definiálni kell a változókat, a célfüggvényt és az optimálási peremfeltételeket. A tervezési változók száma alapvetően határozza meg az optimálási feladat időigényét, ezért erre a célra a paraméterezett vázlatunk egy-egy méretét választottuk ki. (3. ábra) Ezek a méretek befolyásolják leginkább a kivágások alakját, ezért a példánkban elegendő e két paraméter figyelembe vétele.

4. ábra Optimálási paraméterek beállítás CATIA-ban

CATIA V5-ben van lehetőség többféle optimálási algoritmus közül is választani, a példánkhoz az alapértelmezett módszert, a szimulált hűtés módszerét (Simulated Annealing Algorithm) alkalmazzuk. Ez a módszer számítási időben gyorsan és garantáltan megtalálja a globális optimumot.

Az optimálás lefuttatása, eredmények kiértékelése

A sikeres optimálási ciklus után ellenőriznünk kell az eredményeket, hogy garantálni tudjuk azok alkalmazhatóságát. A vizsgált példában (4. ábra) jó látható, hogy a kiinduló modell jelentősen változott az optimálás során. A 7,7 kg-os tömege az optimálás végére 6kg-ra csökkent (22%-os csökkenés).

5. ábra Kiinduló állapot (7,7kg) és az optimált geometria (6kg)

Az egyenértékű feszültségképeken (5. ábra) az látszik, hogy az optimált geometria jobb kihasználtsági fokkal rendelkezik, ugyanakkor a terhelés hatására a megengedhető feszültség nem lépi át az általunk előre definiált 125 MPa-os egyenértékű feszültség határt.

6. ábra Kiinduló állapot (max. 80MPa) és az optimált modell feszültségképe (max. 124MPa)

Összefoglalás

Az optimálási algoritmusok alkalmazásával lehetőség van több száz vagy akár ezer konstrukcióváltozat legenerálására és ellenőrzésére. A módszer hatékonyan alkalmazható azokon a területeken, ahol a méretek változtatásával létrehozható egy új konstrukciós változat. A kézzel történő iterációkat így felváltja egy intelligens algoritmust futtató alkalmazás, ami CATIA V5 környezetbe integrálva elérhető.

A CAD-Terv hozzáadott értéke

Cégünk, a CAD-Terv Simulation Kft. a szoftvertanácsadáson kívül oktatással és emelt szintű support-tal is támogatja partnereit, így segítségünkkel gyorsan és hatékonyan ki tudják használni a szoftverek nyújtotta lehetőségeket. Akiknél a szoftver beszerzésének megtérülési ideje hosszú lenne, azoknak beruházás helyett cégünk külsős mérnöki szolgáltatásként el tudja végezni a fent bemutatotthoz hasonló vizsgálatokat.

CAD-Terv Simulation Kft.
www.cadterv.hu
[email protected]

(x)