Szerkezetoptimálás MSc
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“
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“
Történelmi áttekintés
Korábbi tevékenységek EP / CSB topológia-optimalizálásterületén:
1993 és 1995: OptiStruct teszt 1996: Altair projekt (motorháztető)
1996: CAOSS teszt (MSC/Construct-előző) 1998.2.: OptiStruct (különböző alkalmazási példák)
1998: Construct teszt 1998: CSA/Nastran teszt 1998: OptiStruct (telepíthető hálózati licensz)
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
Gradiens (mennyiségileg kifejezhető) módszerek matematikai programozással - Egy célfüggvény (többváltozós) Hengeres tartály felszínének minimalizálása
F( d )
d 2 2 d 1 2 3
V( d )
10
d 4
10
F ( d) 5
V( d)
0
0
0 0
1
2 d
3 3
Gradiens (mennyiségileg kifejezhető) módszerek matematikai programozással - Több célfüggvény (Pareto-módszer „80/20-elv”) Tetőcsomagtartó légellenállás minimalizálása + térfogat maximalizálása
Módszerek
Gradiens módszerek (mennyiségileg kifejezhető) matematikai programozással - egy célfüggvény (többváltozós); - több célfüggvény (Pareto-módszer, 80-20 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.
Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) - Alkalmazható elemtípusok (ami ennél fontosabb: szabályos vagy szabálytalan háló?)
Méret optimálás (2D) Célja meghatározni az alkatrészek méreteit (pl. lekerekítési sugár, lemezvastagság, tartók, rudak, rugók méretei)
Változó: (shell) elem mérete (vastagsága) Célfüggvény: sajátfrekvencia, feszültség
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.
Példák
Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) 2D vagy tengelyszimmetrikus elemek, csomópontok elmozgatása vektorok mentén, vagy a felületre merőleges irányban
Példák
Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) Megmunkálási restrikció: tengelyszimmetria
Remeshing lehetséges: adaptív globális
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
Példák
www.topopt.com
Helikopter rámpa optimalizálás
Altair - OptiStruct
Helikopter rámpa optimalizálás
Magnézium üzemanyagtartály fal
Feszültségeloszlás (csavaró terhelés esetén)
Üzemanyagtartály fal - Eredmények
Újrahálózott alkatrész - Változatlan merevség - Kisebb feszültségek az alkatrészben - Kevesebb csavar helyek száma - 540 g-al könnyebb (2,32 kg vs. 2,84 kg)
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
Simplified Rail
• Model chassis rail as simple box section • Assumption Improvement of quasistatic Eigenvalue buckling will improve dynamic crush
• Use ReSHAPE to optimise Eigenvalue buckling load
Eigenvalue buckling force
Radioss dynamic simulation
Results
Original box section
Optimised section
Original section 60x60x300, Thickness 0.8
•
Buckling load easily increased by factor of ten
• •
No mass increase No increase in external size
Crush Response
• Low speed collapse load significantly increased • High speed energy absorption increased by 90%
Box section
Optimised section
Road Wheel Vibration
• 3rd natural frequency was close to excitation frequencies
• 1st and 2nd frequencies were below excitation
Results
Original
Optimised
3rd increased by 30% 1st and 2nd unchanged
Gradiensmentes optimum-kritérium módszerek (FEM csomópontok mozgatása) - Lemez bordázat (Bead) 2D elemek (állandó vastagsággal), csomópontok elmozgatása a felületre merőleges irányban
(optimálási feltétel: szimmetria)
TOPOGRÁFIAI OPTIMÁLÁS: „R171 hátsó panel“ Előtte:
Optimalizálás eredményei : Utána: 1. sajátfrekvencia: 25% növekedés
További példák lemez-szerű alkatrészek optimálására
Olajteknő 1
Kiinduló alak
Olajteknő 2
Olajteknő 3
Topológia (kialakítás) optimálás
Lengőkar topológiai optimálása – kiinduló geometria az optimálási kényszerekkel
Lengőkar topológiai optimálása – optimálási fázis
Lengőkar topológiai optimálása – optimálás eredménye
Lengőkar topológiai optimálása – módosított geometria
Motortartó bak topológiai optimálása – kiinduló geometria
Motortartó bak topológiai optimálása – optimálási kényszerek
Motortartó bak topológiai optimálása – optimálási fázis
Motortartó bak topológiai optimálása – módosított geometria
Compressor Bracket • Mounts air conditioner compressor to engine
• The 1st natural frequency in resonance with engine harmonic • Producing excessive harsh noise
Previous Attempts • Previously, stiffeners had been added
• However, no improvement was obtained • Sensitivity plot (right) shows they are of little benefit
Results • 1st natural frequency increased by about 15% • No mass increase
Initial design
Final design
Topológia (kialakítás) optimálás Szabályos hálózás szükséges! 3D remeshing lehetséges!
Topológia (kialakítás) optimálás Simítás (smoothing)
Topológia (kialakítás) optimálás Simítás (smoothing)
Példák
Motorkerékpár váz topológiai optimálása – kiinduló geometria
Motorkerékpár váz topológiai optimálása – kiinduló geometria
Motorkerékpár váz topológiai optimálása – optimálási fázis
Motorkerékpár váz topológiai optimálása – simított geometria
Motortartó optimálás
Motortartó optimálás Tervezési tér + beépítési környezet
Motortartó optimálás Tervezési tér
Motortartó optimálás Terhelési eset: Önsúly
Motortartó optimálás Terhelési eset: Önsúly
Motortartó optimálás Terhelési eset: Kanyarodás
Motortartó optimálás Terhelési eset: Fékezés
Motortartó optimálás
Terhelési eset: Járdaszegélyre ugratás
Motortartó optimálás
Terhelési eset: KOMBINÁCIÓ (Önsúly + Kanyarodás + Fékezés + Járdaszegélyre ugratás)
Gépjármű alváz optimálás
VÉGE
