Abaqus: Optymalizacja wahacza samochodowego

W tym przykładzie wykorzystano moduł optymalizacyjny Tosca/Structure w programie Abaqus do optymalizacji konstrukcji wahacza samochodowego. Celem było zmniejszenie objętości wahacza przy jednoczesnej maksymalizacji jego sztywności.

Rys. 1 Model Wahacza samochodowego – przed i po

Ten przykład ilustruje optymalizację topologii samochodowego wahacza. Podczas optymalizacji topologii właściwości materiału elementów w obszarze projektowania są modyfikowane (skutecznie usuwając elementy z analizy Abaqus lub dodając elementy do niej), aż do osiągnięcia optymalnego rozwiązania.

Geometria – Model ramienia sterującego jest pojedynczą osieroconą częścią siatki, która została połączona z kwadratowymi elementami czworościennymi (C3D10). Ramię sterujące jest symetryczne względem płaszczyzny X-Y i badana jest tylko połowa modelu.

Rys. 2 Obszar projektowy i region kontrolny.

Materiały – Wahacz wykonany jest z elastycznego materiału o module Younga 210 GPa i współczynniku Poissona 0,3.

Warunki brzegowe i obciążenie – Środek modelu jest ograniczony do symetryczności względem płaszczyzny Y-Z. Górny lewy i prawy górny koniec wahacza znajdują się poza obszarem konstrukcyjnym i są zamocowane we wszystkich trzech stopniach swobody translacji. Dolny środek łożyska znajduje się również poza obszarem projektowym, a jego translacja jest ograniczona wzdłuż kierunku z. Węzeł środkowy łożyska dolnego jest obciążony siłą skoncentrowaną 70000 N w kierunku x i –70000 N w kierunku y.

Rys. 3 Ograniczenie geometryczne zamrożonego obszaru

Optymalizacja topologii jest konfigurowana zgodnie z opisem w poniższych sekcjach. W tym przykładzie jest tworzone zadanie optymalizacji topologii, które jest regulowane przez algorytm optymalizacji oparty na warunkach. Obszar projektowy modelu to region, który zostanie zmodyfikowany podczas optymalizacji, jak pokazano na rysunku X. Niektóre regiony są wyłączone z obszaru projektowania, ponieważ są wymagane dla urządzeń i do stosowania obciążeń. Właściwości materiałowe elementów wyłączonych z obszaru projektowego pozostają niezmienione.

Wyniki i typ badań – Tworzona jest odpowiedź projektowa, która oblicza sumę energii odkształcenia dla wszystkich elementów w obszarze projektowania. Druga odpowiedź projektowa oblicza objętość obszaru projektowego.

Rys. 4 Sekcje modelu po stopniowy usuwaniu materiału

Funkcje celu definiują cel optymalizacji. W tym przykładzie pojedyncza funkcja obiektywu próbuje zminimalizować sumę energii odkształcenia obszaru projektowego. Ponieważ zgodność jest definiowana jako suma energii odkształcenia, a sztywność jest odwrotnością zgodności, funkcja celu jest równoważna maksymalizacji sztywności obszaru projektowego.

Ograniczenia optymalizacji ograniczają proces optymalizacji przed wprowadzaniem zmian w topologii modelu. Ograniczenia muszą umożliwiać optymalizację w celu uzyskania rozwiązania, które jest zarówno wykonalne, jak i akceptowalne. W tym przykładzie tworzone jest pojedyncze ograniczenie, które określa, że zoptymalizowany model powinien zawierać 57% początkowej objętości oryginalnego ramienia sterowania.

Rys. 5 Wyniki badań dla zoptymalizowanego obciążonego wahacza

Można zastosować ograniczenia geometryczne, aby jeszcze bardziej ograniczyć proces optymalizacji topologii, aby uwzględnić tylko projekty, które mogą być wytwarzane przy użyciu standardowych technik, takich jak odlewanie lub kucie. Wahacz jest wytwarzany przez kucie. Ograniczenie geometryczne kontroli „demolda” zapewnia, że struktura utworzona przez optymalizację topologii może zostać usunięta z matrycy kuźniczej i nie zawiera podcięć. W tym przykładzie wprowadzono również ograniczenie geometryczne zamrożonego obszaru w celu ograniczenia materiału usuwanego z ramienia konstrukcji, jak pokazano na rysunku X.

Przykład tworzy proces optymalizacji z globalnym kryterium zatrzymania 17 cykli projektowania. Przeprowadzana jest statyczna analiza naprężeń.

Rys. 6 Reakcje projektowe (energia odkształcenia i objętość)

Podsumowanie

Krok zawiera 17 iteracji optymalizacji, które odpowiadają 17 cyklom projektowania procesu optymalizacji. Rysunek X pokazuje wykres wyjściowy historii reakcji na energię odkształcenia i objętość w 17 cyklach projektowych. Wahacz jest zoptymalizowany w taki sposób, że maksymalna sztywność jest osiągana przy jednoczesnym spełnieniu określonej objętości docelowej. Chociaż reakcja projektu energii odkształcenia wzrasta (ogólna sztywność maleje) wraz ze zmniejszeniem objętości ramienia sterującego, zoptymalizowana konstrukcja osiąga topologię z zaledwie 57% początkowej objętości. Rysunek X pokazuje, w jaki sposób optymalizacja topologii stopniowo usuwa materiał z ramienia sterującego, szukając zoptymalizowanego rozwiązania.

Rys. 7 Progresja optymalizacji topologii

Post: Abaqus: Optymalizacja wahacza samochodowego