Lehčí a efektivnější pohonné jednotky (2. strana)

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