• Optimización con SolidEdge ST8 SIMULATION

new-optimization-processLa Optimización del Diseño está disponible en SOLID EDGE SIMULATION desde la versión ST6 (Julio, 2013), siendo todavía a fecha de hoy el gran desconocido para muchos usuarios. La Optimización del Diseño es una herramienta muy potente que permite obtener la geometría óptima de una pieza, ensamblaje o chapa a partir de los resultados de un Análisis por Elementos Finitos del tipo estructural o térmico. El motor que está detrás de todo el proceso no es otro que el Módulo de Optimización de NX Nastran (DESOPT SOL200) (ver mi publicación “Optimización del Diseño con FEMAP & NX Nastran” allá por Mayo, 2011, cómo pasa el tiempo!!) y en su integración con SOLID EDGE ST8 SIMULATION incluye tanto optimización geométrica de la forma del diseño (shaping optimization) como de las propiedades y dimensiones del modelo de elementos finitos (sizing optimization), así que las posibilidades se presentan muy interesantes.

Por ejemplo, con ST8 SIMULATION podrás hacer los siguientes tipos de análisis:

  • Realizar un análisis estático lineal y seguidamente usar la orden NEW OPTIMIZATION para optimizar la geometría del diseño desde el punto de vista de desplazamientos, tensiones o factor de seguridad.
  • Resolver un análisis térmico de transmisión de calor y seguidamente optimizarlo para minimizar la disipación de calor del diseño.
  • Ejecutar un análisis de pandeo y seguidamente pedir al solver NX Nastran que optimice las dimensiones geométricas del diseño para que soporte la máxima carga de pandeo posible.
  • Realizar un análisis modal de frecuencias y a continuación “dar a un botón” para que el solver NX Nastran optimice el diseño geométrico hasta conseguir que la primera frecuencia fundamental de la estructura (en Hz) esté por encima de un valor mínimo de la frecuencia.

DESIGN-OPTIMIZATION3

El proceso de Optimización predice cómo soporta el diseño las condiciones de carga mientras las variables del diseño (es decir, “Design Variables“) varían entre un rango de valores cuyos límites quedan definidos por el usuario. El diseño óptimo es aquel que cumple con todos los requisitos especificados por el usuario (se denominan restricciones de diseño, “Design Constraints“) y a la vez minimiza ciertos valores como son el peso, área de una superficie o volumen (se denominan “Design Objetive“).

El Objetivo del Diseño

El Design Objetive es siempre el primer paso que debemos dar en un análisis de Optimización con ST8 SIMULATION: nos permite definir la función objetivo del proceso de optimización, es decir, qué valor queremos minimizar o maximizar. En general el objetivo global de la optimización es siempre reducir el peso del modelo, es decir, minimizar la masa.

En función del tipo de análisis básico desde el que se lance el proceso de optimización podemos elegir entre minimizar propiedades físicas generales tales como masa, volumen y superficie, o alternativamente indicar localmente un valor específico (target value) entre los diferentes resultados del análisis estructural o térmico realizado anteriormente:

  • Frecuencias Naturales (si se ha lanzado la optimización a partir de un estudio de Modos de Vibración)
  • Factor de Carga de Pandeo (a partir de un análisis de Pandeo)
  • Resultados de tensiones, desplazamientos, factor de seguridad, deformaciones unitarias, temperaturas, etc.. según el tipo de análisis de base: si estructural estático lineal o térmico de transferencia de calor.

st8-simulation-design-objetive-minimizar-masa

Restricciones de Diseño

El siguiente paso es definir las restricciones de diseño, es decir, la condición que debe satisfacer la optimización. Se pueden imponer múltiples restricciones, y por cada restricción se debe indicar el valor límite máximo, mínimo o un rango de valores. La misma lista de parámetros están disponibles tanto para la definición de la Función Objetivo como de las Restricciones de Diseño, pero está claro que no se puede repetir el mismo parámetro: no se puede definir una restricción de desplazamiento y a la vez pedir que se minimice el desplazamiento!!, OK?.

st8-simulation-design-constraint

En la siguiente imagen definimos el Desplazamiento Total de Translación como una Restricción de Diseño:

st8-simulation-design-constraint-displacementsY seguidamente le damos al optimizador los límites de la restricción de desplazamiento de translación resultante que imponemos al análisis: el máximo desplazamiento del modelo deberá ser menor o igual a 1.0 mm.

st8-simulation-design-constraint-displacements-limitsVariables de Diseño

Y finalmente definimos la lista de variables de diseño y su rango de valores con las cuales queremos que el optimizador “juege” para llegar al diseño óptimo.

La lista de variables que podemos elegir son las siguientes:

  • Variables de cotas generadas en la Tabla de Variables durante la creación de la geometría.
  • Variables definidas por el usuario.
  • Variables de ensamblaje.
  • Variables asociadas con las formas geométricas (por ejemplo el radio de un redondeo).
  • Variables de Simulación que se añaden automáticamente cuando se crea un carga o superficie.

De la Tabla de Variables seleccionamos la variable “MaterialThickness” y pulsamos en “Add“:

st8-simulation-design-variable-thickness

En el Editor de Reglas definimos el rango de variación de la variable de diseño: en la siguiente imagen la variable “MaterialThickness” que define el espesor de los elementos Shell en el modelo de elementos finitos puede tomar un valor mínimo igual o mayor de 1 mm y un valor máximo de 5 mm.

st8-simulation-design-variable-thickness-rule

Parámetros de Control

Aquí especificamos el máximo número de iteraciones que el optimizador puede ejecutar. Puede que la solución no converja y alcance el máximo número de iteraciones, pero un valor de 20 iteraciones es razonable. Por cierto, la última iteración no es necesariamente el diseño óptimo, así que se recomienda activar la opción de salvar resultados para todas las iteraciones.

st8-simulation-optimization-parameters

Parámetros de Convergencia

Sirven para controlar los porcentajes de variación de los parámetros del análisis de optimización para conseguir una solución convergente. Los valores por defecto son razonables, aunque se recomienda usar un valor del 1% para la convergencia relativa: el diseño será convergente cuando el porcentaje de cambio relativo de la función objetivo entre dos iteraciones consecutivas sea menor del 1%.

st8-simulation-convergence-parameters

Tras pulsar en OPTIMIZE se inicia el proceso de optimización y si todo va bien veremos el siguiente mensaje:

st8-simulation-optimization-performed

Si hacemos clic en “View Summary” se abre una Hoja Excel con el resumen del análisis de Optimización mostrando paso a paso los valores del cálculo:

st8-simulation-summary

En la solapa “Graph” de EXCEL vemos el gráfico de convergencia de “Masa vs. Nº de Iteraciones“:

st8-simulation-graph

Ejemplo#1: Optimización de un Soporte (“Sizing Optimization”)

La siguiente figura muestra el ensamblaje de Solid Edge ST8 correspondiente al mecanismo de apertura de una puerta de garage del cual vamos a optimizar el diseño de uno de sus componentes.

bracket-optimize-example

Aquí tenemos el componente del cual queremos obtener el diseño óptimo: el Soporte del Engranaje responsable del movimiento de apertura de la puerta.

  • Función Objetivo: minimizar la masa (es decir, reducir peso).
  • Restricción de Diseño: desplazamiento total máximo permitido de 1 mm.
  • Variables de Diseño: el espesor del soporte podrá variar entre mínimo 1 mm y máximo 5 mm (valor actual).

bracket-optimize-pieza

En el siguiente vídeo puedes ver los pasos a realizar para optimizar estructuralmente el Soporte de Engranaje usando el módulo de Optimización de Solid Edge ST8 SIMULATION a partir de los resultados de tensiones y desplazamientos de un cálculo estático lineal con NX NASTRAN (SOL101).

Ejemplo#2: Optimización de una Rueda (“Shaping Optimization”)

El siguiente ejemplo corresponde a la OPTIMIZACIÓN DE FORMA del modelo CAD 3-D sólido de una rueda de Aluminio creada en Solid Edge ST8 que se desea optimizar desde el punto de vista estructural ya que pesenta un Factor de Seguridad muy elevado (la máxima tensión actual de vonMises = 7 MPa, por tanto si el material tiene un Límite Elástico = 28 MPa entonces el FoS = 28/7=4.0) y se desea reducir a 3.0:

  • Función Objetivo: minimizar la masa (es decir, reducir peso).
  • Restricción de Diseño: máxima tensión de vonMises permitida = 9 MPa (es decir, FoS= 28/9=3.0).
  • Variables de Diseño: se permite “jugar” con el rango de valores de las variables Angulo y Altura.

wheel-optimize-design-variables

La siguiente imagen muestra la rueda en su estado inicial con el contorno de tensiones de vonMises resultantes del Análisis Estático Lineal realizado con NX NASTRAN (SOL101): la máxima tensión de vonMises = 7 MPa, por tanto el Factor de Seguridad = 28/7 = 4.0

wheel-optimize-initial-stress-results

En el siguiente vídeo puedes ver los pasos a realizar para optimizar estructuralmente la Rueda usando el módulo de Optimización de Solid Edge ST8 SIMULATION a partir de los resultados de tensiones y desplazamientos de un cálculo estático lineal con NX NASTRAN (SOL101).

Saludos,
Blas.

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