1. Wstęp

Współczesny inżynier konstruktor wie, że postać geometryczna wyrobu powinna umożliwiać jak najlepsze spełnienie wymagań postawionych wobec produktu, z jednoczesnym minimalnym zużyciem materiału, jak najmniejszymi nakładami techno-logicznymi na jego wytworzenie, etc. Tak można w skrócie określić potrzebę optymalizacji konstrukcji, zmierzającą do uzyskania najlepszego wariantu konstrukcyjnego, tj. takiego wariantu wyrobu, który będzie optymalny z punktu widzenia zdefiniowanego kryterium.

Prowadzenie obliczeń optymalizacyjnych uwalnia konstruktorów od długotrwałego rozpatry-wania własności poszczególnych wariantów wyrobu (uprzednio zaproponowanych) i to bez gwa-rancji, że którykolwiek z nich będzie najlepszym z wariantów możliwych do uzyskania.

System CAD/CAE, wyposażony w narzędzia optymalizacyjne, umożliwia szybkie odnalezienie najlepszego wariantu rozpatrywanej konstrukcji (pod określonym względem). Pozwala zatem na znaczące oszczędności czasu z jednoczesnym wskazaniem wariantu idealnego lub możliwie zbliżonego do ideału (np. ze względów technologicznych), co radykalnie zwiększa poziom jakości produktu, więc także konkurencyjność jego producenta.

Najnowszy SOLID EDGE został wyposażony w odpowiednie rozwiązania numeryczne
do optymalizacji konstrukcji 3D, co oznacza nowy etap w projektowaniu CAD wspomaganym szybkimi oraz wiarygodnymi analizami CAE, prowadzonymi z zastosowaniem metody elementów skończonych (MES) oraz parametrycznej edycji geometrii części i złożeń.

2. Obliczenia optymalizacyjne w symulacjach MES (środowiska CAE)

W tradycyjnych obliczeniach MES, SOLID EDGE znajduje wyniki odpowiednich przemieszczeń, wartości danych naprężeń, etc. dla konkretnie zadanego modelu ze ściśle sprecyzowanymi warunkami brzegowymi (wymuszenia, utwierdzenia).

Stosując narzędzia optymalizacyjne ST6, użytkownik jest w stanie dodatkowo nakazać systemowi znalezienie optymalnego wariantu rozpatrywanego modelu, tj. takiego, który np. będzie posiadał najmniejszą możliwą masę (ew. największą lub zadaną), uzyskaną chociażby poprzez zmianę danej wielkości wymiarowej, spełniając wybrany warunek wytrzymałościowy.

Użytkownik ST6 może zdefiniować wiele różnych kryteriów działań optymalizacyjnych. Dotyczą one najistotniejszych właściwości fizycznych modelu (np. masa, objętość), a także wyników z zadania MES (przemieszczenia, naprężenia). Celem zadania może być osiągnięcie przez daną wielkość możliwego minimum, maksimum lub zadanej wartości docelowej.

Analizując powyższe pod względem parametrycznej interpretacji modelu, ST6 może samoczynnie znaleźć w zadaniu określoną wartość parametru A, zmieniając wartość parametru B, z jednoczesnym zastrzeżeniem, aby utrzymana została określona wartość parametru C.

Poza znalezieniem i podaniem rozwiązania w środowisku CAD/CAE (jeżeli rozwiązanie jest w ogóle możliwe), ST6 generuje plik MS EXCEL, gdzie przedstawia wartości brane pod uwagę podczas działań optymalizacyjnych (w postaci arkusza danych oraz wykresu).

Rozwiązanie jest odnajdywane metodą kolejnych przybliżeń iteracyjnych.

Przykładem może być szybkie rozwiązanie następującego zadania (rys. 1):

  • maksymalnie zwiększyć długość (w kierunku X) konstrukcji stalowej (początkowo X=3 m),
  • maksymalne ugięcie konstrukcji dla zadanych warunków ma być mniejsze niż 10 mm (dla geometrii początkowej, strzałka ugięcia wynosi 6,9 mm),
  • długość zastosowanych profili kształtowych nie może przekroczyć wartości 6m.

ST6 znalazł optymalne rozwiązanie: X=3,568 m, dla którego strzałka ugięcia=9,99 mm.

3. Obliczenia optymalizacyjne w parametrycznych środowiskach CAD 3D

Działania optymalizacyjne można również prowadzić w środowiskach CAD 3D systemu SOLID EDGE na zasadzie tzw. obliczeń przeciwnych, realizowanych z wykorzystaniem parametrycznej geometrii modeli. Jest to możliwe dla modeli części, blach oraz złożeń, gdzie wykorzystano sekwencyjne i synchroniczne metody modelowania. Funkcjonalność tę można wykorzystać także do modeli zaimportowanych, początkowo bez historii modelowania, które można błyskawicznie sparametryzować dzięki synchronicznym wymiarom sterującym PMI.

Obliczenia w postaci pierwotnej to takie, gdzie dysponuje się danymi wejściowymi, na podstawie których w dalszej kolejności uzyskuje się wynik.

Wówczas obliczenia przeciwne polegają na tym, iż należy zmienić wartość wybranej wielkości wejściowej, aby uzyskany uprzednio wynik osiągnął inną ZADANĄ wartość.

Obliczenia przeciwne (znane chociażby z MS EXCEL, polecenie „Szukaj wyniku”) można było do tej pory w SOLID EDGE przeprowadzać dla zagadnień płaskich (polecenie celowo
o identycznej nazwie z poleceniem EXCEL, tj. „Szukaj wyniku”).

ST6 pozwala więc na odnajdywanie wartości wskazanego parametru, aby spełniony zos-tał określony warunek wg zasady „znajdź X, aby wynikający z niego Y posiadał daną wartość”.

W tym przypadku, SOLID EDGE będzie samoczynnie zmieniał wartość wskazanej wielkości wymiarowej, aż do chwili, gdy wartość wynikającej z niej wielkości fizycznej lub innej wielkości wymiarowej osiągnie zamierzony poziom (jeżeli jest to w ogóle możliwe).

Powyższe umożliwia działania optymalizacyjne, dotyczące geometrii modeli, a także ich lokalizacji oraz orientacji przestrzennej (we wskazanym układzie współrzędnych).

Zastosowaniem tej funkcjonalności może być np. rozwiązanie takiego zadania (rys. 2):

  • zakłada się, iż ze względów technologicznych i finansowych, objętość betonowego korpusu budynku specjalnego nie może przekroczyć wartości np. 4,200m3,
  • tymczasem, w początkowej postaci (I) objętość modelu wynosi 4,307m3,
  • istnieje jednak możliwość zmiany np. rozmiarów otworów okratowania wentylacyjnego.

ST6 odnajdzie więc takie rozmiary otworów okratowania, aby objętość modelu spełniała ww. kryterium (II).

4. Działania na wartościach właściwości fizycznych z zastosowaniem zmiennych

Funkcjonalność opisana w p. 3. możliwa jest m.in. dzięki temu, że ST6 może rozpatrywać wartości najważniejszych wielkości fizycznych jako klasyczne zmienne (wartości te pojawiają się m.in. w Tablicy Zmiennych ST6). Dzięki temu można je wykorzystywać w obliczeniach,
a informacje wejściowe i wyjściowe łatwo prezentuje się w środowiskach 3D i 2D.

Przykład praktycznego wykorzystania tej nowości ze środowiska złożenia (rys. 3):

  • w modelu konstrukcji stalowej ze względów czasowych pominięto spoiny spawalnicze i fakt zwiększenia masy złożenia po dodaniu powłok galwanicznych (np. „ocynk”) do komponentów,
  • zakłada się, iż obecność spoin i „ocynku” zwiększają masę nominalną konstrukcji o 1,5%.

ST6 przedstawia wartości odpowiednich wielkości masowych: w stanie początkowym (I) oraz po wprowadzeniu dodatkowych komponentów do złożenia w 3D (II).

5. Wnioski

ST6 dostarcza nowy zestaw rozwiązań numerycznych CAD/CAE służących do realizacji działań optymalizacyjnych podczas procesu projektowo-konstrukcyjnego.

Dzięki temu, czas trwania złożonych zadań inżynierskich może ulec znaczącemu skróceniu.

Powyższe osiąga się z uwzględnieniem faktu, iż zamodelowany produkt jest wariantem najlepszym z możliwych do uzyskania (pod zdefiniowanym przez użytkownika względem).

opracował
Dr inż. Adam Budzyński

adam.budzynski@gmsystem.pl 

w opracowaniu wykorzystano projekty 3D dzięki uprzejmości firmy PKI WILK www.wilk.net.pl