Szerkezetoptimálás MSc

Átírás

1 Szerkezetoptimálás MSc

2 Bevezetés 1. alkalmazási példa: Kompozit anyagok => a szürke tartományok pontosabb vizsgálata Eredmény: anyag csak a főfeszültségek irányban (mikroszerkezet) új anyagok kifejlesztése Vortrag Prof. M. Bendsoe, Universität Lyngby : An Introduction to Topology Design of Structures, Materials and Mechanisms

3 2. alkalmazási példa: Mikrostrukturális optimalizálás: Negatív Poisson-tényezőjű elemek kifejlesztése Vortrag Prof. M. Bendsoe, Universität Lyngby : An Introduction to Topology Design of Structures, Materials and Mechanisms

4 Történelmi áttekintés Korábbi tevékenységek EP / CSB topológia-optimalizálásterületén: 1993 és 1995: OptiStruct teszt 1996: Altair projekt (motorháztető) 1996: CAOSS teszt (MSC/Construct-előző) : OptiStruct (különböző alkalmazási példák) 1998: Construct teszt 1998: CSA/Nastran teszt 1998: OptiStruct (telepíthető hálózati licensz)

5 Alapfogalmak Tervezési változók: amit az optimálási eljárás módosíthat Tervezési paraméterek: amit a tervező változtathat Optimálási peremfeltételek (restrikciók): kényszerek (geometriai vagy működésbeli) Célfüggvények: feladatként a célfüggvény(ek) minimalizálását vagy maximalizálását fogalmazzuk meg

6 Gradiens (mennyiségileg kifejezhető) módszerek matematikai programozással - Egy célfüggvény (többváltozós) Hengeres tartály felszínének minimalizálása 2 d 1 F( d) d 2 2 V( d) d F( d) V( d) d 3

7 Gradiens (mennyiségileg kifejezhető) módszerek matematikai programozással - Több célfüggvény (Pareto-módszer 80/20-elv ) Tetőcsomagtartó légellenállás minimalizálása + térfogat maximalizálása

8 Módszerek Gradiens módszerek (mennyiségileg kifejezhető) matematikai programozással - egy célfüggvény (többváltozós); - több célfüggvény (Pareto-módszer, szabály). Pareto elv: Több célfüggvény esetén X* optimum akkor van, ha egyik célfüggvény értéke sem javítható úgy, hogy legalább egy másik célfüggvény értéke ne romlana. Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) - alkalmazható elemtípusok: - lemez bordázat (Bead); - alak optimálás (Shape). Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (terheletlen elemek kivétele) topológia (kialakítás) optimálás.

9 Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) - Alkalmazható elemtípusok (ami ennél fontosabb: szabályos vagy szabálytalan háló?)

10 Méret optimálás (2D) Célja meghatározni az alkatrészek méreteit (pl. lekerekítési sugár, lemezvastagság, tartók, rudak, rugók méretei) Változó: (shell) elem mérete (vastagsága) Célfüggvény: sajátfrekvencia, feszültség

11 Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) 2D vagy tengelyszimmetrikus elemek, csomópontok elmozgatása vektorok mentén, vagy a felületre merőleges irányban. Csomópontok helyének változtatási mértékét a határfeszültség és a helyi feszültség különbsége határozza meg; ahol nagyobb a helyi feszültség, oda elemet teszünk, ahol kisebb, onnan elveszünk.

12 Példák

13

14 Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) 2D vagy tengelyszimmetrikus elemek, csomópontok elmozgatása vektorok mentén, vagy a felületre merőleges irányban

15 Példák

16 Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) Megmunkálási restrikció: tengelyszimmetria Remeshing lehetséges: adaptív globális

17 Alak optimálás Célja meghatározni az alkatrészek alakját (geometriáját) (a terhelések és megtámasztások figyelembevételével) Speciális eset a topográfiai optimalizálás, ahol a shellelemek csomópontjai normálirányban elmozdulhatnak. Változó: geometria (alak) Célfüggvény: sajátfrekvencia, merevség, feszültség

18 Példák

19

20

21 Helikopter rámpa optimalizálás Altair - OptiStruct

22 Helikopter rámpa optimalizálás

23 Magnézium üzemanyagtartály fal Feszültségeloszlás (csavaró terhelés esetén)

24 Üzemanyagtartály fal - Eredmények

25 Újrahálózott alkatrész - Változatlan merevség - Kisebb feszültségek az alkatrészben - Kevesebb csavar helyek száma g-al könnyebb (2,32 kg vs. 2,84 kg)

26 Crash Safety (Research) The crash response of a car is largely dictated by the chassis rails Optimisation of the chassis rails can optimise the crash response

27 Simplified Rail Model chassis rail as simple box section Assumption - Improvement of quasistatic Eigenvalue buckling will improve dynamic crush Eigenvalue buckling force Use ReSHAPE to optimise Eigenvalue buckling load Radioss dynamic simulation

28 Results Original box section Buckling load easily increased by factor of ten No mass increase No increase in external size Optimised section Original section 60x60x300, Thickness 0.8

29 Crush Response Low speed collapse load significantly increased High speed energy absorption increased by 90% Box section Optimised section

30 Road Wheel Vibration 3rd natural frequency was close to excitation frequencies 1st and 2nd frequencies were below excitation

31 Results Original Optimised 3rd increased by 30% 1st and 2nd unchanged

32 Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) - Lemez bordázat (Bead) 2D elemek (állandó vastagsággal), csomópontok elmozgatása a felületre merőleges irányban (optimálási feltétel: szimmetria)

33

34 TOPOGRÁFIAI OPTIMÁLÁS: R171 hátsó panel Előtte: Optimalizálás eredményei : Utána: 1. sajátfrekvencia: 25% növekedés

35 További példák lemez-szerű alkatrészek optimálására

36

37

38 Olajteknő 1 Kiinduló alak

39 Olajteknő 2

40 Olajteknő 3

41 Topológia (kialakítás) optimálás

42

43 Lengőkar topológiai optimálása kiinduló geometria az optimálási kényszerekkel

44 Lengőkar topológiai optimálása optimálási fázis

45 Lengőkar topológiai optimálása optimálás eredménye

46 Lengőkar topológiai optimálása módosított geometria

47 Motortartó bak topológiai optimálása kiinduló geometria

48 Motortartó bak topológiai optimálása optimálási kényszerek

49 Motortartó bak topológiai optimálása optimálási fázis

50 Motortartó bak topológiai optimálása módosított geometria

51 Compressor Bracket Mounts air conditioner compressor to engine The 1st natural frequency in resonance with engine harmonic Producing excessive harsh noise

52 Previously, stiffeners had been added Previous Attempts However, no improvement was obtained Sensitivity plot (right) shows they are of little benefit

53 Results 1st natural frequency increased by about 15% No mass increase Initial design Final design

54 Topológia (kialakítás) optimálás Szabályos hálózás szükséges! 3D remeshing lehetséges!

55 Topológia (kialakítás) optimálás Simítás (smoothing)

56 Topológia (kialakítás) optimálás Simítás (smoothing)

57 Példák

58 Motorkerékpár váz topológiai optimálása kiinduló geometria

59 Motorkerékpár váz topológiai optimálása kiinduló geometria

60 Motorkerékpár váz topológiai optimálása optimálási fázis

61 Motorkerékpár váz topológiai optimálása simított geometria

62 Motortartó optimálás

63 Motortartó optimálás Tervezési tér + beépítési környezet

64 Motortartó optimálás Tervezési tér

65 Motortartó optimálás Terhelési eset: Önsúly

66 Motortartó optimálás Terhelési eset: Önsúly

67 Motortartó optimálás Terhelési eset: Kanyarodás

68 Motortartó optimálás Terhelési eset: Fékezés

69 Motortartó optimálás Terhelési eset: Járdaszegélyre ugratás

70 Motortartó optimálás Terhelési eset: KOMBINÁCIÓ (Önsúly + Kanyarodás + Fékezés + Járdaszegélyre ugratás)

71 Gépjármű alváz optimálás

72 VÉGE