CAD CAE i co dalej – Jak wiele możesz skorzystać na optymalizacji

Komputerowo wspierane procesy projektowania i walidacji są już z Nami od wielu lat. Od roli cyfrowej deski kreślarskiej, awansowały do rangi wirtualnej rzeczywistości, bo czym innym jest środowisko 3D?

Komputerowo wspierane procesy projektowania i walidacji są już z Nami od wielu lat. Od roli cyfrowej deski kreślarskiej, awansowały do rangi wirtualnej rzeczywistości, bo czym innym jest środowisko 3D? Oczywiście jest to rzeczywistość z pewnymi ograniczeniami, stąd przymiotnik wirtualna. Nikogo, już nie dziwi „zdjęcie” niewykonanej fizycznie maszyny, czy prezentacja jej pracy – zwane odpowiednio renderem i symulacją. Rozwój tzw. „nowoczesnych technologii” zbliża coraz bardziej środowisko 3D do rzeczywistości, ale to zagadnienie zarezerwujmy na inną okazję. Zajmijmy się bardzo pojemnym pojęciem symulacji.

Symulacje, zawierają w sobie głównie szeroko pojęte obliczenia. Najważniejszymi są obliczenia wytrzymałościowe – FEA (pol. MES) i obliczenia przepływów – CFA. Dla mnie symulacją jest także sprawdzenie np. jak zmiana materiału wpłynie na masę całej konstrukcji i jej położenie środka masy – czyż nie? Powyższe działania są bardzo pomocne, ale często wpadamy w pułapkę tylko sprawdzania. Wykonujemy jakąś konstrukcje i sprawdzamy czy wytrzyma. Możemy jednak z Naszego oprogramowania dużo, dużo więcej. Możemy mu nakazać wykonać część Naszej pracy, możemy skorzystać z optymalizacji.

Dlaczego optymalizacja w komputerze?

…jeśli zmienię masę tego, to muszę powiększyć to, ale masa tego przesunie środek ciężkości, więc ta masa musi być mniejsza, więc muszę zmienić materiał… ale teraz koszty są zbyt duże…

Może powyższe stwierdzenie nie było zbyt gramatyczne, ale każdy który coś konstruował miewa podobne myśli. Dlatego optymalizacja „w komputerze” spotyka się z coraz większą sympatią. Główna przyczyna jest prozaiczna – komputer może pracować 24h, a prawidłowo zaprogramowany nie będzie też angażował człowieka na zbyt długo. Zamiast powtarzalnie sprawdzać setki sekwencji możemy zająć się czymś bardziej kreatywnym, komputer zrobi to i tak szybciej i dokładniej.

CORTIME – czym jest i dlaczego to krok do przodu?

Nicola Tesla zbadał i opanował fale radiowe, ale prawdziwym krokiem do przodu było radio. Étienne Lenoir opracował pierwszy użyteczny silnik spalinowy, ale prawdziwym krokiem do przodu jest to że możemy teraz używać samochodów. Bez inżynierów nauka byłaby tylko filozofią, prawdziwym postępem, dla mnie, jest zaimplementowanie nowoczesnej technologii tak, żeby ludzie na tym skorzystali. To samo dotyczy informatyki i algorytmiki. CORTIME jest potężnym i zaawansowanym narzędziem optymalizującym dla mechaników, przy tym jego obsługa jest naprawdę prosta.

Parametry i cele

W dalszej części tekstu korzystam z pojęć parametr i cel. Zrozumienie czym są powyższe jest kluczowe dla procesu optymalizacji. Optymalizacja zawsze ma jakiś cel, a ten cel musi być mierzalny.

Starożytni architekci udowodnili, że nawet poczucie piękna i estetyki można opisać liczbowo – tzw. złoty podział – liczba fi.

rys. 1 Złoty podział na przykładzie Taj Mahal źródło: http://neworleanseasttires.com/architecture-styles/golden-ratio-architecture/

W wypadku mechaniki estetyka gra jednak rolę drugorzędną. Celem będzie np. obniżenie zużycia energii potrzebnej do działania maszyny – poprzez powiedzmy zmniejszenie masy elementów. Celem także może być dłuższe działanie niezawodne – poprzez zmianę materiału, lub grubości elementu. Parametrem natomiast będzie np. wymiar przekroju, siła działająca, ilość wystąpień elementu etc. – czyli to czym program będzie manipulował.

CORTIME służy do optymalizacji celów poprzez manipulacje parametrami. Czyli np. zmieniając wymiary przekroju, zmieni masę i wytrzymałość.

Optymalizacja kształtu poprzez usuwanie materiału nieobciążonego, dodając materiał tam gdzie będzie bardziej potrzebny też jest do zrealizowania, ale za pomocą badania Topologii – o niej więcej tutaj: https://solidmania.com/optymalizacja-topologii-solidworks-simulation-2018/

Jake są możliwości CORTIME?

Potrafi uprościć problem który staramy się rozwiązać

Czasami to trudniejsze niż nam się wydaje. Ile jest wymiarów we wszystkich modelach w złożeniu? 100, 1 000, 10 000? Wymiar oznaczający głębokość graweru, nie ma wielkiego wpływu na masę, ale przekrój belek konstrukcji ramowej już tak. Program sprawdzi które wymiary wpływają najbardziej na Nasz cel.

rys. widzimy, że parametr: fin_thickness (grubość żebra), wpływa bardziej masę, niż na efekty termiczne. natomiast fin_fillet (zaokrąglenie żebra) wpływa praktycznie tylko na masę. Źródło: CORTIME – kanał na YT

Pozwoli Nam to przyspieszyć proces optymalizacji – skupimy się od razu na parametrach ważnych. Redukuje to także „przeczucia”. Zamiast zastanawiać się co ma jaki wpływ na cel, program pokazuje nam to palcem – palcem w kształcie łatwego do interpretacji wykresu.

Potrafi znaleźć parametry optymalne, spełniające wymagania projektowe

Oczywiście nie ma na to wyłączności. Możemy uzyskać taki sam efekt ręcznie manipulując wymiarami. Jaka jest więc wyższość oprogramowania nad ręczną zmianą parametrów?

Zazwyczaj celów mamy kilka, powiedzmy: redukcja masy, utrzymanie wytrzymałości na pewnym poziomie i utrzymanie maszyny w wymiarach XYZ na które pozwala nam przestrzeń. Co jest oczywiste na te cele wpływa dużo parametrów. W przypadku gdyby wzrost/spadek danego parametru wpływał tylko pozytywnie/negatywnie na wszystkie cele to nie byłoby problemów. Zazwyczaj jednak manipulacja jednym parametrem spowoduje poprawienie kilku celów, pogarszając inne. Optymalizacja ręczna przypomina trochę grę Jenga.

rys. 3 źródło: https://shop.hasbro.com/

Optymalizacja CORTIME sprawdzi wszystkie możliwości, znajdując extrema celów i przypisane do nich parametry. Pozwoli nam łatwo wybrać przestrzeń rozwiązań, która będzie dla nas interesująca. Sami zdecydujemy który cel jest dla nas najważniejszy, a który możemy „poświęcić”.

rys. 4 interesujący nas obszar rozwiązń w polygonie, przedstawienie na płaszczyźnie 2D, ponieważ optymalizujemy dwa cele. źródło: https://cortime.com/Deployment/docs/documentation.pdf

Dalej trzeba znać się na konstrukcji, ale podejmowanie decyzji będzie prostsze, nie musimy liczyć na łut szczęścia – będziemy dużo lepiej poinformowani przed wyborem. Dostaniemy też szybciej informacje o tym, że konstrukcja w obecnej formie nie jest w stanie spełnić wymagań projektowych – wiadomość może nie najlepsza, ale im wcześniej ją otrzymamy tym lepiej.

Ułatwia zaprojektowanie bardziej wytrzymałeś konstrukcji

Czasami ciężko Nam przetestować sytuacje skrajne, nie dlatego że nie wiemy jakie te sytuacje będą – nie mamy na to czasu. Warto, żeby Nasz komputer przez noc sprawdził siły w większych zakresach niż wcześniej przewidziane. Możemy dowiedzieć się wiele ciekawych rzeczy, przede wszystkim gdzie konstrukcja się uszkodzi, i przy jakim układzie parametrów – będzie przecież wiele takich układów. Ta wiedza przyda Nam się od razu – jeśli możemy jeszcze zmienić konstrukcje, lub w przyszłości – jeśli Nasza konstrukcja ulegnie uszkodzeniu, będziemy wiedzieć jakie czynniki spowodowały to uszkodzenie. Nie bez znaczenia jest także bezpieczeństwo użytkowników po uszkodzeniu.

Drobnostka, ale cieszy – drobne interesujące funkcje

Program bardzo szybko sprawdza parametry skrajne. Nie wykonuje dla nich od razu optymalizacji, ale sprawdzi czy model CAD w podanych parametrach może istnieć. Pomoże Nam to szybko wyeliminować błędnie przyjęte zakresy.

Dodatkowo, jeśli program napotka problem w jakimś układzie, to nie zatrzymuje całego procesu. Pomija daną iterację i zajmuje się następną. Możemy być spokojni, o to że komputer nie zatrzyma się 5 minut po Naszym wyjściu z pracy i zmarnuje całą noc.

Mamy do wyboru kilka algorytmów, po podaniu zakresu parametrów, i celów. Jest w stanie dość dokładnie oszacować czas wykonania badania. Dowiemy się która optymalizacja może być przeprowadzona „na szybko”, a którą należy uruchomić na serwerze na tydzień.

Co możemy optymalizować

Zajmuję się głównie i najchętniej obliczeniami wytrzymałości, dlatego najłatwiej było mi pokazać wszystko na jej podstawie. Zastosowanie CORTIME wykracza jednak poza ramy wytrzymałości. Możemy korzystać z optymalizacji w produktach:

– SOLIDWORKS CAD – manipulować wymiarami, sprawdzić co będzie działo się z masą, objętością, środkiem masy itd.

rys. 5 Położenie środka masy w zależności od położenia przeciwagi. Na wykresie widzimy wyraźnie, że program nie testuje chaotycznie tylko stara się, żeby rozwiązanie otrzymać jak najszybciej – nazywa się to konwergencją, czyli zbieganiem do rozwiązania. Źródło: CORTIME – kanał na YT.

– SOLIDWORKS Simulation Standard (statyka + badania ruchu)

– SOLIDWORKS Simulation Premium (badania nieliniowe, dynamika etc.)

– SOLIDWORKS Flow Simulation (badania przepływów)

– SOLIDWORKS Plastics – planowane

Co najważniejsze możemy w ramach jednej optymalizacji sprawdzić parametry i cele obliczane w kilku badaniach. Sprawdzenie wytrzymałości, masy i opływu elementu jest możliwe do wykonania w ramach jednego badania optymalizacyjnego.

Podsumowanie

CORTIME zmniejszy całkowity czas wykonania projektu. Dokona optymalizacji projektu takiej jak np. położenie środka masy. Bardziej spektakularne efekty osiągniemy jednak we współpracy z szeroko pojętym oprogramowaniem CAE. Skracamy już znacznie czas przez przesunięcie części walidacji na okres projektowania, alternatywnie z budową modeli prototypów.

Szybciej też jest wyznaczyć wytrzymałość za pomocą oprogramowania CAE niż licząc wszystko na piechotę. O tym więcej w artykule o ANALIZACH MES . Optymalizacja w komputerze (nazywana przez producentów CAO – Computer Aided Optimization (pl. komputerowe wspieranie optymalizacji) – określenie na razie jeszcze się nie przyjęło.) jest krokiem dalej. Przekładając testowanie nie tyle na okres projektowania, co na okres w którym nie wykonujemy innych czynności projektowych. Wypełnia szczelniej czas w którym projektujemy, pozwalając przetestować dużo więcej scenariuszy. Jednocześnie zdejmuje z Inżynierów potrzebę wykonywania części powtarzalnych czynności.

Autor:

Piotr SZULTA

Inż. wsparcia technicznego CAD / SIM

,