• 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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54.- Nueva Versión de FEMAP V11.1 (Noviembre 2013)

NUEVA VERSIÓN de FEMAP v11.1

FEMAP™ V11.1 es la nueva versión del modelador geométrico, pre- y postprocesador de Elementos Finitos más potente del mercado, disponible ya para descarga desde el GTAC. FEMAP V11.1 incluye también la última versión del solver NX™ Nastran V9.0.

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10.- Optimización del Diseño con FEMAP y NX Nastran (I)

Hola!,
En este artículo vamos a hacer una introducción a los conceptos básicos de optimización numérica DESOPT (SOL200) disponibles en NX Nastran y aprender a distinguir entre análisis de sensibilidad del diseño (Design Sensitivity) y análisis de optimización del diseño (Design Optimization).

El análisis de sensibilidad del diseño estudia el grado de cambio de las respuestas estructurales con respecto a los cambios de los parámetros de diseño. Habitualmente los parámetros de diseño se refieren a las variables de diseño que representan el espesor en elementos Shell, las dimensiones de la sección transversal en elementos viga CBEAM/CBAR/CROD, etc.. Por ejemplo, en ingeniería civil puede ser interesante conocer cómo efecta en la deformada de un puente los cambios de dimensiones de los diferentes secciones del puente. En automoción podemos investigar la variación de la frecuencia de resonancia del interior del vehículo para diferentes espesores de panel.

El análisis de optimización del diseño se refiere al proceso de mejora del diseño. En NX Nastran la optimización del diseño se realiza mediante un “optimizador”, un algorithmo que busca el diseño “óptimo” utilizando los coeficientes de sensibilidad del diseño y obtener, por ejemplo, el mínimo espesor de panel que ofrezca las frecuencias de resonacia más bajas del interior del vehículo.

El módulo de sensibilidad y optimización del diseño de NX Nastran permite incluir múltiples casos de carga (subcases) en una única solución de optimización DESOPT (SOL200). Cada caso de carga (subcase) puede ser un tipo de solución diferente. Así, se puede especificar que una estructura esté sujeta a un número diferente de tipos de análisis con difrentes tipos de cargas. El “optimizador” considerará los resultados de TODOS los análisis SIMULTÁNEAMENTE para proponer un diseño óptimo. Este planteamiento se describe como optimización del diseño multidisciplinaria, y es la única forma racional de conseguir un diseño óptimo útil.

Por ejemplo, podemos tener una pieza sujeta a dos casos de carga estáticos (SOL101). Además la pieza debe satisfacer unos requisitos mínimos en cuanto a frecuencias naturales de vibración especificados en un análisis modal (SOL103).  Y por último la estructura puede estar sujeta a cargas transitorias (SOL112) cuyos picos de respuesta sean de nuestro interés. Podemos incluir todos estos tipos de análisis en una única solución SOL200 (es como se denomina a un análisis de optimización) utilizando la siguiente entrada:

Mediante la orden ANALYSIS especificamos las disciplinas de análisis a utilizar para cada caso de carga, que puede ser uno de los siguientes tipos de análisis:

La siguiente figura muestra el ciclo de optimización del diseño con NX Nastran:

El Objetivo de Diseño puede ser minimizar el peso (o sea, el volumen), minimizar la componente en tensión de un elemento, o minimizar el desplazamiento de un nodo en una dirección. Se puede definir el objetivo de diseño para la solución completa o para un caso de carga específico.

Las Variables de Diseño definen los cambios que se pueden realizar en el modelo de elementos finitos, junto con los límites de variación superior e inferior. NX Nastran permite definir cuatro tipos de variables de diseño: según las propiedades físicas del elemento, propiedades de materiales laminares y composites, propiedades del material, y conectividad del elemento. Por ejemplo, la siguiente imagen muestra las diferentes opciones por tipo de elemento:

Las Restricciones de Diseño definen los límites para cada solución, por ejemplo límites de máxima/mínima tensión, máximo/mínimo desplazamiento, etc..

NX Nastran escribe en el fichero *.f06 un resumen con los Resultados de Optimización del análisis DESOPT (SOL200), incluyendo las variables de diseño, restricciones, respuestas y los objetivos para cada ciclo de diseño:

El siguiente ejemplo consiste en optimizar una simple estructura de celosía compuesta por tres barras que deben soportar dos casos de carga por separado, en los cuales las barras externas pasarán de trabajar en un caso a tracción y en otro a compresión.

Una consideración muy importante que merece la pena recordar es que la optimización en NX Nastran es multidisciplinar, es decir, el diseño óptimo final es el resultado de la consideración simultánea de todas las disciplinas de análisis a través de todos los casos de carga. En este ejemplo, el diseño óptimo de las tres barras de celosía deberá satisfacer los requisitos de diseño de los casos de carga estáticos, pero si, por ejemplo, se añadiera un caso de carga de modos normales, el diseño resultante debería no sólo satisfacer los requisitos de tensión estáticos, sino también las restricciones de frequencias naturales impuestas.

La siguiente figura muestra la gráfica de convergencia de los resultados obtenidos con FEMAP V10.2 y NX NASTRAN V7.1 del análisis de optimización del diseño (SOL200) para los dos casos de carga de la celosía. A modo de resumen podemos señalar lo siguiente:

  • El objetivo del diseño se reduce de 4.8 a 2.7, por tanto hemos conseguido un ahorro de material del 43.75%.
  • El área de las barras exteriores pasa de 1.0 in2 a 0.842 in2, por tanto hemos conseguido una reducción del 15.8%.
  • El área de la barra central pasa de 2.0 in2 a 0.325 in2, por tanto hemos conseguido una reducción del 83.75%.

Si quieres repetir este tutorial en tu propio ordenador pídenos los modelos con la geometría de entrada y te lo remitimos por e-mail, es un servicio gratuito para nuestros clientes de IBERISA.

Saludos,
Blas.

Descargar vídeo (55.4 MB, 15 min.): http://www.megaupload.com/?d=XKBNIL3Y