Геометрическая оптимизация детали в CAD/CAE, и при чем тут Самара
Дмитрий КрекинРуководитель команды маркетинга КОМПАС-3D в машиностроении
Проектируете вы на работе или мастерите свой пет-проект (как @Doctor_IT, автор VR-жилета — с удовольствием прочитали и заплюсовали пост), настает момент, когда надо оптимизировать разрабатываемую конструкцию. Обычно, чтобы уменьшить ее массу или снизить расход материала. Оптимизацией сегодня и займемся.
Дано:
самолет-амфибия Borey производства самарской компании «АэроВолга»;
деталь Подкос заднего шасси: масса — 300 г, материал — алюминий, 3D-модель — имеется (большое спасибо авторам! ).
Задача: снизить массу подкоса заднего шасси на 10–15% с сохранением его прочностных характеристик.
Для решения нам понадобится: САПР КОМПАС-3D с двумя встроенными приложениями — «APM FEM» и «Оптимизация IOSO-K», мышь компьютерная, рука (я взял правую), кошка теплая урчащая наколенная (одна штука, масса 10 подкосов), бодрая музыка в наушниках («даёшь рррок!»). Понеслась!
Для решения задачи нам потребуется изменять параметры геометрии подкоса. Поэтому определяем геометрические параметры, которыми впоследствии будем управлять: толщины (s1, s2, s3), радиус скругления R.
На следующей стадии нужно выполнить прочностной расчет в APM FEM (разработано компанией НТЦ АПМ). Хотя это и расчетное ПО, некоторые его возможности будут полезны не только расчетчикам, но и конструкторам. Работает оно в интерфейсе КОМПАС-3D и на общем геометрическом ядре C3D (разработано C3D Labs — дочерней компанией АСКОН), а значит нам не требуется никаких телодвижений с конвертацией модели.
Стоп, а исходных данных недостаточно же! Условия закрепления понятны, а нагрузки-то какие?
Отлипляем от себя кошку-липучку, под мощщный metal мчим в Самару на «АэроВолгу», всё выясняем, заключаем NDA и… теперь нельзя об этих данных никому рассказывать. Чтоб не унывать и подзарядиться, заходим перед аэропортом в «На дне» (столы там удобные), заказываем у бармена пару «паурбанков», включаем ноут, открываем нашу 3D-модель и «как-то» неожиданно снова оказываемся дома под кошкой. Телепорт?
Нагрузки, закрепления назначаем и строим конечно-элементную сетку.
Запускаем расчет. В результате получаем величину максимального напряжения — 293 Н/мм2.
Теперь можно поиграть с изменением геометрии подкоса.
Кстати, лет 5 назад я действовал так:
Шаг 1) изменить значение тех самых четырех переменных,
Шаг 2) перестроить сетку, выполнить прочностной расчет,
Шаг 3) проанализировать результаты, сверяя их с требованиями,
Шаг 4) если результаты меня не устраивали, повторить шаги 1–3.
На моем в тот момент только что купленном ноутбуке DELL G3 15 3590 [Windows 10 Pro | Intel Core i7–9750H CPU 2.60GHz | RAM 16GB | GeForce GTX 1660 Ti MAX-Q | SSD 500GB | FullHD] одна итерация занимала примерно 5 минут, что в целом неплохо.
Даже если мы с первого раза на опыте/интуиции/глаз попали в яблочко и решили поставленную задачу, всегда любопытно узнать «а можно ли сделать ещё легче/круче/совершеннее». Поэтому число конфигураций подкоса и итераций расчетов могло стремиться к бесконечности.
Как работаем сегодня и в условиях ограниченного времени?
Здесь же в КОМПАС-3D запускаем приложение «Оптимизация IOSO-K» (разработано компанией СИГМА Технология), которое используется как раз для задач геометрической оптимизации. В окне приложения видим таблицу «Варьируемые параметры», которая содержит наши исходные переменные и их текущие значения.
В двух соседних столбцах указываем верхние и нижние границы этих значений. Обязательно вводим целевые значения массы и напряжений (в данном случае — по верхней границе). Наконец, указываем количество запусков, т.е. число итераций пересчета моделей. Одной рукой (снова взял правую) запускаем оптимизацию, второй — гладим мурлыку.
Здесь начинается приятная магия автоматизации — приложение IOSO-K делает многоитерационный пересчет за человека. Программа, используя собственные алгоритмы, оптимизирует геометрию в пределах установленных мной допустимых значений и выполняет прочностной расчет с фиксацией результатов. И так 50 раз!
На все 50 итераций на моем ноутбуке ушло всего 15 минут. Без приложения этот процесс занял бы около 4 часов однообразных действий (спина, до свидания! ). Более того, в процессе оптимизации можно наблюдать за промежуточными результатами и остановить процесс, если мы добились всего, чего хотели. А результаты показаны на графике и таблице ниже.
Ось абсцисс — это максимальные напряжения, ось ординат — масса.
График разделён тонкими красными линиями на 4 части. Желтая точка в правой верхней части — это наши начальные рассчитанные значения по массе и напряжению. В левой нижней части видим те значения, к которым мы стремились, — они отмечены зелеными точками. Одна из точек в оптимальной зоне — явно наш клиент! Кликаем на неё мышкой и видим в таблице оптимальные размеры переменных. Останется слегка округлить значения и перестроить параметрическую модель.
Итог — мы даже немного перевыполнили план:
Можно ли сделать подкос еще более «оптимизированным»? Вероятно, да! Если задать не 50 итераций, а 500. Конечно, если позволяют ресурсы.
Вывод первый. Впечатляет то, что все действия мы выполняли внутри одного продукта и в рамках единого рабочего окна! Это очень удобно.
Второе. Конечно же, алгоритмы IOSO появились не сегодня. Радует, что технология, изначально применяемая в одной из самых наукоемких отраслей — авиастроении, — стала доступна всем компаниям общего машиностроения. Получается, случился трансфер технологий. Возможно, лет через 15 технология многокритериальной оптимизации покажется нам примитивной, а пока она вполне себе годная и, главное, рабочая.
Однозначно рекомендую опробовать на ваших реальных задачах!
Аналогично модуль IOSO-K может взаимодействовать еще и с приложением для расчета гидро-газодинамики — KompasFlow (разработчик — Тесис). Следовательно, через многократный «перебор» геометрии можно достичь, к примеру, оптимальных аэродинамических характеристик изделия.
Связка продуктов «IOSO-K + Валы и механические передачи 3D» поможет подобрать оптимальные параметры зубчатых зацеплений с точки зрения прочности и долговечности.
