Оптимизация конструкций в Solid Edge

13.02.2017

Вероятно, вы уже знакомы с оптимизацией в Solid Edge Simulation. Однако появилась она относительно недавно – в версии ST6. В этой статье приведены несколько примеров для понимания того, какие задачи способен решать этот модуль. Solid Edge Simulation является частью пакета Premium, но также доступен для приобретения в качестве дополнения для Classic и Foundation.

Исходные данные для оптимизации

Основными исходными данными для оптимизации конструкции являются:

  • Ссылка на существующий анализ
  • Проектный параметр
  • Проектные ограничения
  • Проектные переменные
  • Управляющие параметры

Существующий анализ
Для проведения оптимизации конструкции необходим уже проведенный анализ. Он будет отправной точкой для процесса оптимизации.
Проектный параметр
Это цель, которую вы пытаетесь достичь. В качестве этого параметра можно использовать физические свойства (масса, объем, площадь поверхности) или любой результат существующего анализа. Обратите внимание, что для одной задачи оптимизации можно задать лишь один проектный параметр.
Проектные ограничения
В качестве ограничений также можно использовать физические свойства или результаты анализа. Эти ограничения управляют решением. Например, если целью является уменьшение массы, то ограничением может выступать максимальное напряжение (или запас прочности). Вы можете задать множество ограничений для одной задачи оптимизации.
Проектные переменные
Проектные переменные – это те параметры модели, которые вы хотите изменить для достижения цели оптимизации. Для одной задачи оптимизации также можно задать множество проектных переменных.
Управляющие параметры
Существует ряд управляющих параметров и параметров сходимости, с помощью которых можно управлять точностью оптимизации. Обычно, можно оставить эти параметры по умолчанию, но об одном исключении будет рассказано в примере 1.

Пример 1 – натяжной шкив

Это натяжной шкив, содержащий анализ, со следующими входными данными и условиями:

  • Цель – минимизация массы (сейчас 19,640 кг)
  • Ограничение – максимальное напряжение по Мизесу <= 13,33 Мпа (запас прочности 3)
  • Переменные – угол и высота выреза. Обратите внимание, что для них заданы диапазоны в таблице переменных
  • Нагрузка «Крутящий момент» и ограничение «Зафиксировать»
  • Текущее максимальное напряжение по Мизесу – 10,3 МПа

Необходимо изменить угол и высоту выреза таким образом, чтобы минимизировать массу, но при этом не превысить максимально допустимое напряжение.



Изначальная конструкция с граничными условиями


Изначальные результаты

В результате оптимизации шкива получаем следующие данные:


Как видно из таблицы, масса была уменьшена на 13% до 16,539 кг на седьмой итерации при значениях угла и высоты выреза 49° и 190 мм соответственно. Из таблицы видно, что на некоторых итерациях напряжение превысило допустимые значения (выделены красным). Следует учесть, что результат последней итерации может быть не самым оптимальным, поэтому необходимо посмотреть на результаты всех итераций и выбрать желаемое решение. После следует отредактировать/округлить переменные модели и провести новый анализ с наиболее мелкой сеткой, чтобы получить точные результаты. Также следует учесть, что на результат может повлиять, хоть и незначительно, порядок добавления проектных переменных в список. В примере сначала была добавлена переменная угла, затем – высоты. При обратном порядке результат будет немного отличаться. Наконец, можно изменить параметр Относительная сходимость со значения 2,5% по умолчанию до 0,1% или около того.

Пример 2 – скоба из листового металла


Изначальная конструкция


Средняя поверхность с нагрузками и ограничениями

У нас есть модель скобы из листового металла. Мы хотим минимизировать ее массу, при этом не превыliсить максимальное напряжение в детали значения 210 МПа. Будем использовать одну проектную переменную – толщину материала. Изначальная толщина равна 4 мм. Нагрузка 300 Н приложена к верхней грани модели, четыре отверстия зафиксированы. Обратите внимание, что поскольку это листовая деталь, мы воспользуемся средней поверхностью и проведем анализ с помощью поверхностных элементов.

  • Цель – минимизация массы (изначальное значение 0,784 кг)
  • Проектное ограничение – максимальное напряжение по Мизесу <= 210 МПа (изначальное максимальное напряжение 174 МПа)
  • Проектная переменная – толщина материала (в диапазоне от 1 до 4 мм)


Изначальные результаты

Изначальное максимальное напряжение было 174 Мпа, после оптимизации стало 209,772 МПа – чуть меньше максимально допустимого значения. Оптимизированная толщина материала стала равна 2,975 мм, что уменьшило массу детали на 26% до значения 0,580 кг. Округлим толщину до ближайшего допустимого значения 3 мм.

Пример 3 – Ферменная конструкция для крыши

У нас есть ферменная конструкция для крыши здания шириной 6 м, с поддерживающими элементами. Поскольку это конструкция из профилей, мы используем балочные (1-D) элементы для анализа. К верхним элементам приложена нагрузка в 2200 Н, узлы горизонтального элемента зафиксированы. Из анализа мы получаем максимальное полное напряжение балки 6,21 МПа, максимальное перемещение – 5,1 мм. В качестве проектного ограничения зададим максимально допустимое ограничение 10 МПа.

Для оптимизации задаем следующие входные данные:

  • Цель – минимизация суммарного перемещения
  • Ограничение – максимальное полное напряжение балки <= 10 МПа
  • Проектные переменные – три угла с заданными диапазонами



Видно, что максимальное перемещение было уменьшено с 5,10 до 1,65 мм, а максимальное напряжение – с 6,2 до 2,7 МПа. Также обратите внимание, что изменилось положение точки максимального перемещения.

Заключение

Как видите, оптимизация конструкций может быть отличным инструментом для понимания того, как можно изменить проект для достижения целей. Таблицы наглядно представляют влияние изменений в геометрии на конструкцию в целом.

Перевод статьи блога Siemens PLM Software Community.
Оригинал статьи: «Design Optimization in Solid Edge»,
автор – Matt Lombard

Перевод подготовил:
Павел Демидов,
ЗАО "Нанософт",
продакт-менеджер департамента дистрибуции,
e-mail: demidov@nanocad.ru