Technika a trh

pohony l automatizace l převody

Projekty Grand Challenge

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

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

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.

převzato z časopisu CAD

www.cad.cz

Obr. 3 – Definice vnějšího žebrování jako výsledek topologické optimalizace s ohledem na NVH