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Können Sie es sich noch leisten, Ihre Produkte nicht zu optimieren?
Die Verbesserung Ihrer CAE-Technologie durch Optimierungssoftware kann Ihrer Firma den entscheidenden Wettbewerbsvorsprung bringen.
Dieser Artikel wurde im Original in der Zeitschrift Machine Design, "How to Make Good Design Better", 10. Mai 2007, veröffentlicht.
Selbst wenn CAE-Software benutzt wird, geht der traditionelle Produktdesign-Prozess weiterhin oft nicht über ein paar Versuchs-und-Irrtums-Suchproben hinaus, um, basierend auf der ingenieurmäßigen Erfahrung, ein "adäquates" Design-Ergebnis zu erhalten. Der geprüfte Entwurf wird wahrscheinlich seine funktionellen Anforderungen erfüllen, jedoch wird er voraussichtlich nicht seine effizienteste Form besitzen oder nicht bestmöglichen Materialwert haben. Mit anderen Worten: er ist nicht optimal.
Für den heutigen Wettbewerbsmarkt sind "hinreichende" Entwürfe nicht mehr gut genug. Optimale Entwürfe werden nicht nur benötigt um die gewünschte Leistung und Haltbarkeit zu erreichen, sondern auch um unnötige Materialkosten zu sparen, besonders bei Massenproduktion.
Viele CAE-Softwarepakete haben ein integriertes Design-Optimierungstool, das die Optimierung schnell, praktisch und einfach ermöglicht. Zusätzlich kann Fremdanbietersoftware in das CAE-Paket eingefügt werden. Wenn Sie nicht schon mit der Optimierung begonnen haben wird es nun Zeit.
Grundlagen der Optimierung
Optimierungssoftware ist ein Designtool, basierend auf der Finite-Elemente-Methode, das, entsprechend den Anwenderkriterien, die Entwürfe optimiert. Die Fähigkeit, eine Komponente zu optimieren um das gewünschte Leistungsergebnis zu erhalten, ermöglicht mehr Zeit für Produktinnovation und kürzere Markteinführung.
Allgemein kann die Optimierungssoftware zum automatischen Optimieren von drei Aspekten des Produktdesigns verwendet werden:
Größe - modifiziert den Querschnitt oder die Dicke von Finite-Elemente
Form - betrachtet die Koordinaten der Finite-Elemente-Knoten als Design-Variablen. Die Gesamtanzahl der Finite-Elemente wird nicht geändert.
Topologie - bestimmt die beste Materialverteilung über einen vorgeschriebenen Entwurfsbereich, einschließlich Entfernen von unnötigen Elementen. Das Ergebnis der Topologie-Optimierung dient als ein Konzeptentwurf für die Schaffung eines neuen Finite-Elemente-Modells.
Die Umsetzung variiert mit jedem Softwarepaket, jedoch sind die Grundzüge der Design-Optimierung immer wie folgt:
- Definieren der Design-Variablen (die Eigenschaften, die Sie ändern wollen)
- Definieren der Zielvorstellung (das Optimierungsziel, z. B. Volumenminimierung) und der Bedingungen (welche Kriterien erfüllt werden müssen, z. B. maximale Spannung unter dem oberen Limit)
- Durchführen der Optimierung (Softwareprogramm ausführen, automatische Analyse des Modells, vergleichen der Ergebnisse von Zielvorstellung und Bedingungen, erhöhen der Design-Variablen um bessere Ergebnisse zu erhalten und dies bis zum Abschluss wiederholen)
- Untersuchen des Endmodells und des Optimierungsverlaufs (Prüfen der Analyse-Ergebnisse und -Diagramme, der Zielvorstellung, Bedingungen und Design-Variablen zu jedem Optimierungsschritt)
Größenoptimierung eines Flugzeughangars
Zur Veranschaulichung der Größenoptimierung betrachten wir einen Flugzeughangar, der ein konkaves Massivdach mit einem Balkenfachwerk besitzt. Nach Festlegung eines gültigen Finite-Elemente-Modells und Durchführung einer ersten Strukturanalyse sollte durch eine Größenoptimierung das Volumen des Balkenfachwerks minimiert werden. (Das Massivdach wurde nicht eingeschlossen)
Zuerst wurde der Querschnittsradius jedes Balkentyps des Rahmens als eine Design-Variable definiert. Dies geschah durch einen einfachen Rechtsklick auf das Feld "Radius" in der Querschnittsbibliothek (Cross Section Libraries) und Wahl der Option "Als Design-Variable setzen" (Set as Design Variable).
Bei
der ALGOR-Software wird die Auswahl der Design-Variablen durch
einfaches Rechtsklicken auf das gewünschte
Datenfeld durchgeführt.
Als nächstes wurde für jede Design-Variable die obere und untere Grenze, innerhalb des zulässigen Wertebereiches, spezifiziert.
Dann wurden die Zielvorstellung und die Bedingungen durch einfache Auswahl aus einem Menu mit den möglichen Optionen definiert. Die Zielvorstellung war das Minimieren der Stahlträgervolumen. Zwei Bedingungen wurden festgelegt, damit die maximale von Mises-Spannung und die maximale Verschiebung in den anwenderspezifizierten oberen Grenzwerten bleiben.
Die
Zielvorstellung und die Optimierungsbedingungen wurden bequem durch
einen
integrierten Dialog festgelegt.
Bevor die Optimierung durchgeführt wurde, wurde eine Design-Variablen-Empfindlichkeitsstudie vorgenommen, um die Auswirkungen der Änderungen vorher zu sagen. Diese Studie gibt dem Designer oder Ingenieur Einblick, welche Design-Variablen den meisten Optimierungsnutzen bringen. Weiterhin ist eine Design-Variablen-Empfindlichkeitsstudie für das bessere Verständnis komplexer Analysen mit mehreren Design-Variablen besonders wertvoll. Die Ergebnisse der Empfindlichkeitsstudie für das Hangarmodell wurden in Tabellen aufgeführt, die bestätigen, dass die Zielvorstellung (Volumenminimierung) einige der Design-Variablen (die Balkenradien) bedeutsam ändern würde.
Nachdem der Aufbau beendet war, wurde die Optimierung durchgeführt. Die Software iterierte die Lösung mit Werten der Querschnittsradien zwischen den oberen und unteren Grenzwerten. Acht Lösungsläufe waren notwendig, bis die optimalen Radienwerte für die spezifizierten Bedingungen und die Zielvorstellung gefunden wurde.
Im Endmodell wurde das Volumen des Balkenfachwerks um fast 73 % reduziert.
Die
Radien der Querschnittsbereich des Originalmodells (oben links) wurden
als Design-Variable definiert
(rechts) und die Software erzeugte automatisch
den optimalen Entwurf (unten links)
mit fast 73 % Volumeneinsparung.
Die Gesamtzeit, die zum Definieren des Optimierungsproblems, zum Bearbeiten durch die Software, sowie zum Analysieren der Ergebnisse, aufgebracht werden musste, betrug weniger als ein halbe Stunde. Dies zeigt, dass Design-Optimierung nicht zwangsläufig komplex und zeitintensiv sein muss. Zusätzlich stehen die durch die Optimierung eingesparten hohen Materialkosten in keinem Verhältnis zu den vergleichsweise geringen Softwarekosten.
Optimierungsvorteile
Das Hinzufügen von Optimierungssoftware zu Ihrer Standard-CAE-Technik kann eine rationelle, automatisierte Basis für Versuchs-und-Irrtums-Prozesse bilden, zum Identifizieren, Modifizieren und Analysieren der Design-Variablen, um ein optimales Produkt zu erreichen. Dadurch können Sie sich produktiver auf Problemdefinitionen fokussieren und kreativer Ihre Produkte entwerfen, was Ihrer Firma den entscheidenden Wettbewerbsvorsprung geben wird.
© 2008 ALGOR, Inc./ e4e engineers for engineers GmbH
