pohony l automatizace l převody
Projekty Grand Challenge
d
Pro prokázání výhod použití optimalizačních technologií na zlepšení užitných vlastností pohonných jednotek se Altair a Renault dohodli na provedení tzv. projektů
„Grand Challenge”. Souhrn těchto unikátních projektů sloužil k tomu, aby Altair svými novými návrhovými metodami a procesy ukázal, jak je možné ve vývoji rychleji
rozvíjet inovativní řešení při definici všech
technických výzev pro nové produkty. Vyvinout společně s Altairem proces, který
by urychlil tvorbu modelů pohonných jednotek, bylo pro Renault výzvou. Poté, co
se však přesvědčil o výhodnosti použití
těchto procesů, použil následně optimalizační techniky i na všechny komponenty
hnacího ústrojí, což výrazně ovlivnilo širokou škálu jejich užitných vlastností.
Renault s Altairem se následně rozhodli
zahájit i vývoj zcela nového hnacího
ústrojí. V té době končící zmiňovaný projekt byl v tomto ohledu velmi dobře načasován. Předvedl, jak velký pozitivní vliv
může mít technologická optimalizace na
užitné vlastnosti, provedení a vyrobitelnost, pokud se použije ve velmi rané fázi
vývojového procesu.
Použití nástrojů OptiStruct
a SimLab
d
Nový projekt se zaměřil na hlavní dvě oblasti zájmu, a to na NVH celé hnací soustavy a na únavu materiálu v oblasti ložisek motoru. Různé zátěžové stavy pro
životnost a NVH (obr. 1) byly analyzovány
optimalizačním řešičem OptiStruct právě
od společnosti Altair. OptiStruct vyniká
schopností efektivně pracovat s rozsáhlými modely a rovněž je schopen simulovat
široké spektrum fyzikálních jevů působících na reálný model včetně předpětí
šroubů, těsnění, vysoce nelineárních materiálů a kontaktů. Prvním krokem nově
zavedeného procesu bylo parametrizovat
model v prostředí CAD, určit návrhový
prostor a parametrické proměnné, jako
jsou tloušťky stěn a výšky žeber, které by
později mohly být použity jako proměnné
parametry ovlivňující optimální návrh součásti.
Pro tuto fázi přípravy modelu se velmi
dobře hodí např. nástroj SimLab od společnosti Altair. Je to nástroj pro přípravu
modelu pro pevnostní analýzy metodou
konečných prvků, který svými speciálními
algoritmy do značné míry automatizuje
tvorbu modelu těchto komplexních struktur na základě návrhových CAD modelů.
Použitím vlastního unikátního algoritmu
pro síťování, definice okrajových podmínek a šablon pro kontakty se i při zachování přísných kritérií kvality modelu podařilo SimLabu zvýšit efektivitu procesu
vytváření modelů o 60 % ve srovnání se
standardním přístupem společnosti. Díky
tomuto zautomatizovanému procesu je
možné případné budoucí změny geometrie modelu rychle přesíťovat, připravit pro
optimalizaci a analyzovat během několika
minut. Pro nalezení optimálního kompromisu mezi NVH a životností, hmotnostním cílem a kritériem vyrobitelnosti, byla
pomocí nástroje HyperStudy z balíčku
HyperWorks (obr. 2) provedena DOE
analýza (Design of Experiments). Tento
proces mapuje odezvu mnoha návrhových proměnných v závislosti na výsledcích a rychle identifikuje varianty návrhu,
které plní souhrnné cíle pro hmotnostní limity a užitné vlastnosti.
Pro další zlepšení konstrukce z hlediska
NVH byl současně použit OptiStruct pro
topologickou optimalizaci rozložení soustavy žeber vnějšího pláště pohonné jednotky (obr. 3). Určením návrhového prostoru v rámci modelu a použitím známých
zatížení a omezení dokázal OptiStruct navrhnout ideální uspořádání materiálu na
jednotlivých žebrech a jejich rozložení a
odstranit veškerý materiál, který pro splnění požadavků NVH nebyl potřebný.
Zrychlení vývoje pohonu
d
Nový proces vývoje výrobku se ukázal být
pro Renault velmi efektivní. Využití topologické optimalizace v počáteční fázi vývojového cyklu umožnilo týmu pro vývoj
hnacího ústrojí rychle experimentovat se
stovkami konstrukčních proměnných, které by technik obvykle nezvažoval, a zároveň umožnilo týmu využít svého úsudku
při výběru nejlepšího řešení. Tento proces
umožnil týmu soustředit se na úkoly s přidanou hodnotou a nikoli se zabývat časově náročným rutinním modelováním.
Konečný návrh nového hnacího ústrojí
dosáhl snížení hmotnosti o 8 % při současném zlepšení interních parametrů pro
hodnocení užitných vlastností z hlediska
NVH a únavy o 30 %. Ve srovnání s konkurenčními motory na trhu vyneslo zlepšení užitných vlastností motory Renault na
špičku ve své třídě.
Obr. 2 – Návrhy experimentálních studií
Vzhledem k tomu, že tento projekt proběhl po důkladné a rozsáhlé analýze přínosu použití optimalizačních technik, Renault mimo jiné také zjistil, že pokud
použije stejný postup, ale zaměří se na
menší snížení hmotnosti jen o 5 %, mohlo
by dojít ke zvýšení užitných vlastností motoru až o 90 %. Naopak, pokud by již užitné vlastnosti hnacího ústrojí dosáhly požadovaného cíle, mohl by tento nový
inovativní proces (návrh řízený simulací)
být použit výhradně pro snížení hmotnosti, což by mělo větší dopad na ještě výraznější snížení hmotnosti.
Tento komplexní projekt ukázal, že využívání optimalizačních technik v rané fázi
vývojového procesu může pomoci zkrátit
čas vývoje snížením počtu nákladných návrhových smyček a minimalizovat úsilí potřebné pro validaci produktu. Vedle toho
projekt ukázal, že při vývoji nového produktu jde vždy také o to, zvolit správný
kompromis mezi použitím různých algoritmů a dosažení konkrétního cíle vývoje.
Toto vše se Renaultu podařilo.
p
převzato z časopisu CAD
www.cad.cz
Obr. 3 – Definice vnějšího žebrování jako výsledek topologické optimalizace s ohledem na NVH
www.technikaatrh.cz
61