Tvarová optimalizace v prostředí ANSYS Workbench
Jan Szweda, Zdenek Poruba VŠB-Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, katedra mechaniky Ostrava, Czech Republic
Anotace Prezentace je soustředěna na tvarovou optimalizaci prováděnou s využitím nástrojů a metod programu ANSYS Workbench 11. Cílem optimalizace je zlepšení odvodu tepla kostrou elektromotoru při zachování její mechanických vlastností. Tato optimalizační úloha je úzce svázána s CFD analýzou chlazení motoru, ale pro časové nároky byla řešena strukturální teplotní analýzou v prostředí ANSYS WB. Teplotní vlastnosti nově navrženého tvaru byly ověřeny opět ANSYS WB CFD analýzou. Anotation The presentation is focused on design optimisation done by tools and methods included in ANSYS Workbench 11. The aim of this optimisation is thermal convection improvement of motor frame with conserving its structural properties. The optimisation is strongly connected to the CFX thermal analysis of motor frame, but the problem had to be simplified so it was done using ANSYS WB structural thermal analysis. The thermal properties of final motor shape was verified again by ANSYS WB CFX analysis.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -1-
Předmět práce
Elektromotor, zejména kostra – materiál šedá litina Tvarová optimalizace chladicího žebrování
Předmětem práce je kostra elektromotoru, u níž je hlavní zájem soustředěn na chladicí žebrování. Veškeré vlivy ostatních součástí elektromotoru jsou zahrnuty v okrajových podmínkách.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -2-
Cíl práce Tvarová optimalizace kostry s ohledem na: • zlepšení teplotních vlastností kostry, • zachování modálních vlastností kostry, • redukce hmotnosti kostry.
Cílem práce je provést tvarovou optimalizaci kostry pro zlepšení chladivosti motoru, přičemž mají být zachovány stávající mechanické vlastnosti kostry. Nezanedbatelným přínosem optimalizace je i případná úspora materiálu kostry, což vede na snahu snížení hmotnosti kostry.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -3-
Postup a metody řešení Numerická optimalizace na plném 3D modelu • • •
nutná CFD teplotní analýza, zjednodušený CFD model sestává z 1,5 mil. buněk, analýza je náročná na výpočetní čas.
Numerická optimalizace na redukovaném rovinném modelu • • •
model postihuje pouze významnou část žebrování kostry, CFD analyza je nahrazena strukturální teplotní analýzou a příslušnými okrajovými podmínkami, redukovaný model nabízí větší množtsví optimalizací při přijatelných nárocích.
K řešení se nabízí dva výpočtové přístupy: jeden založený přímo na CFD analýze chlazení kostry motoru a druhý založený na zjednodušeném modelu strukturální teplotní analýzy kostry. V rámci této práce byla užita druhá varianta řešení, a to zejména pro značně nižší časové nároky na výpočet.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -4-
2D rovinný model Vlastnosti redukovaného modelu: • model zahrnuje 1/8 obvodu kostry, • model je sestaven pro úlohu vedení tepla kostrou, • okrajové podmínky jsou vyvozeny z výsledků CFD analýzy (teplotní tok; koeficienty přestupu tepla).
Strukturální teplotní analýza byla realizována na rovinném modelu 1/8 obvodu kostry. Okrajové podmínky vycházejí z výsledků dříve prováděné CFD analýzy výchozího tvaro kostry motoru.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -5-
Parametry optimalizace Návrhové proměnné rovinného modelu: •
4 koty definující tvar žebrování.
Ostatní proměnné: • • •
celkový objem, maximální povrchová teplota, teplotní tok povrchem žeber.
Parametrický model tvaru žebrování je popsán 4 kótami. Model postihuje skutečnou orientaci os žeber, které jsou rovnoběžné v rámci každé ¼ kostry motoru. V rámci optimalizace byly definovány i další proměnné, jako např.: celkový objem modelu, maximální hodnota povrchové teploty, či teplotní tok povrchem žebrování.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -6-
Proces optimalizace Bylo provedeno několik optimalizačních výpočtů •
pro zjištění chování optimalizační úlohy,
•
řešení pro variční tvarové návrhy,
•
jedno a vícekriteriální optimalizace.
Samotná optimalizace byla prováděna nástroji a metodami v modulu DXexplorer ANSYS Workbench 11. Pro tuto úlohu se ukázaly jako nejužitečnější ukázaly metody „Screening“ a „TradeOff Study“ z nástroje „Goal Driven Optimization“.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -7-
Závěr Na základě zpětné plné CFD analýzy pro 3D model s nově navrženým žebrováním byla zjištěna následující zlepšení: • • •
téměř nezměněné modální vlastnosti v oblasti nízkých vlastních frekvencí, hmotnost kostry snížena o cca 4%, povrchová teplota kostry snížena o cca 4 °C.
Hlavním výsledkem optimalizace je nový návrh tvaru chladicích žeber, který vykazuje zlepšení odvodu tepla kostrou. Nicméně nezanedbatelným přínosem optimalizace jsou i výsledky v podobě širšího přehledu teplotních vlastností v závislosti na tvarových parametrech kostry. Tyto výsledky jsou významné zejména pro vývoj tvaru kostry motoru do budoucnosti.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -8-
