Projektowanie w Creo Parametric z optymalizacją konstrukcji

Projektowanie zgodnie z założeniami projektowymi

Praca nad każdym projektem rozpoczyna się od zdefiniowania jego założeń. To właśnie założenia projektowe narzucają konstruktorowi ograniczenia, których nie można przekroczyć w trakcie pracy nad produktem. Oznacza to konieczność zmieszczenia się w ustalonych wymiarach gabarytowych, nieprzekroczenia określonej masy lub objętości wyrobu, utrzymania ściśle określonego położenia środka ciężkości czy też jeszcze wielu innych aspektów konstrukcji.

Uzyskanie kombinacji wymiarów i parametrów spełniających jednocześnie wymogi projektowe to ciężka i żmudna praca. Często polega ona na tworzeniu kolejnych iteracji tej samej konstrukcji poprzez modyfikowanie wymiarów i parametrów (nierzadko metodą prób i błędów), a następnie mierzeniu uzyskanych wyników i weryfikowaniu, czy spełniają one założenia.

Otrzymanie pierwszego zestawu wyników odpowiadającego założeniom projektowym nie zawsze oznacza koniec prac. Często bowiem oczekuje się od konstruktora zaproponowania optymalnej konstrukcji produktu. Niewielka redukcja masy może okazać się znacząca w kontekście działania całego produktu lub kosztów wytworzenia. Dlatego też optymalizacja uzyskanej konstrukcji jest niezwykle istotna, ale bez dysponowania odpowiednimi narzędziami staje się również uciążliwa realizacji.

Creo Behavioral Modeling – narzędzia do optymalnego projektowania

W odpowiedzi na te problemy oraz by ułatwić zaprojektowanie optymalnej konstrukcji, firma PTC opracowała zestaw narzędzi dostępny jako rozszerzenie do Creo Parametric o nazwie Behavioral Modeling. Rozszerzenie Creo Behavioral Modeling rozbudowuje funkcje Creo Parametric o dodatkowe możliwości przeprowadzania analiz i sterowania geometrią modelu na podstawie uzyskanych wyników.

Funkcje oferowane przez rozszerzenie Creo Behavioral Modeling można podzielić na trzy grupy:

• Poszerzenie możliwości narzędzi analiz dostępnych w Creo Parametric o funkcje zapisu cech konstrukcyjnych powiązanych z przeprowadzaną analizą, np. umieszczenie układu współrzędnych lub punktu konstrukcyjnego w środku ciężkości modelu.

• Przeprowadzenie analizy wrażliwości, która umożliwia określenie, czy zmiana wartości określonego wymiaru lub parametru ma istotny wpływ na badany aspekt modelu np. jego masę albo objętość.

• Przeprowadzenie analizy wykonalności lub optymalizacji umożliwiające określenie, czy w danym zakresie wartości wymiaru lub parametry można uzyskać rozwiązanie spełniające założenia albo wyznaczenie optymalnych wartości dla zadanej funkcji celu (np. minimalizacji masy).

Optymalizacja wału korbowego w Creo Parametric

Sposób, w jaki powyższe rozwiązania mogą przełożyć się na szybsze uzyskanie optymalnej konstrukcji, przedstawię na przykładzie niewielkiego wału korbowego dla jednocylindrowego silnika. Oprócz typowych wymagań dotyczących rozmiarów należy wał korbowy zaprojektować tak, by był odpowiednio wyważony. Dla konstruktora oznacza to, że środek ciężkości wału musi leżeć w jego osi obrotu. Konieczne też będzie zoptymalizowanie całej konstrukcji tak, by uzyskać jak najniższą masę wału.

Rysunek 1 Model wału korbowego

Pierwszym krokiem będzie określenie położenia środka ciężkości projektowanej części. Informacje te, podane w postaci współrzędnych, uzyskujemy, używając standardowej w Creo Parametric analizy własności masowych. Natomiast dzięki rozszerzeniu Creo Behavioral Modeling, zapisując tę analizę jako cechę w drzewie modelu, możemy od razu umieścić w wyznaczonym środku ciężkości układ współrzędnych lub punkt konstrukcyjny. Dzięki temu zabiegowi mamy pewność, że nawet zmiana geometrii modelu zostanie automatycznie uwzględniona, a geometria konstrukcyjna umieszczona w środku ciężkości odpowiednio zaktualizowana.

Mając punkt konstrukcyjny leżący w środku ciężkości modelu, możemy użyć zwykłej analizy pomiaru odległości, żeby wyznaczyć jego odsunięcie względem osi obrotu całego wału. Zapisując tę analizę również w postaci cechy w drzewie modelu, możemy też zapisać jej wynik w postaci dodatkowego parametru. Dzięki tej operacji dysponujemy podstawowym parametrem z punktu widzenia założeń projektowych.

Rysunek 2 Analizy własności masowych i odległości środka ciężkości modelu od osi

Analiza wrażliwości

Po uzyskaniu wartości odsunięcia środka ciężkości od osi obrotu wału możemy przejść do kolejnego kroku wyważenia całej konstrukcji. Chcemy mianowicie określić, które wymiary lub parametry mają znaczący wpływ na zmianę położenia środka ciężkości modelu. Posłużymy się w tym celu dostępną w Creo Behavioral Modeling tzw. analizą wrażliwości (ang. Sensitivity Analysis). Używając tej analizy sprawdzimy, jak zmiana określonego wymiaru przekłada się na zmianę odległości środka ciężkości od osi obrotu. Możemy to zrobić, ponieważ odległość ta została zapamiętana w postaci parametru wewnątrz cechy pomiaru odległości.

Rysunek 3 Analiza wpływu trzech wybranych wymiarów ramienia wału na położenie środka ciężkości

Jak wynika z wykresów otrzymanych za pomocą analizy wrażliwości, największy wpływ na położenie środka ciężkości mają wymiary wysokości ramienia wału. Do dalszych obliczeń możemy więc przyjąć dowolny z tych wymiarów. Jednak doświadczenie konstruktorskie podpowiada, że lepszym wyborem do przesunięcia środka ciężkości będzie zmniejszanie dolnego wymiaru. Dzięki temu część nadal będzie wpasowana do reszty zespołu. Przesunięcie środka ciężkości za pomocą górnego wymiaru wymagałoby znacznego zwiększenia jego wartości, co z kolei mogłoby spowodować problemy z montażem wału i dopasowaniem go do pozostałych komponentów.

Studium wykonalności projektu

Wiedząc już, który wymiar daje największe możliwości zmiany położenia środka ciężkości, możemy sprawdzić, czy środek ciężkości w ogóle można umieścić na osi obrotu wału. Do tego celu służy analiza wykonalności (ang. Feasibility Study). Definiując warunki tej analizy określamy, że wartość parametru odległości powinna wynosić 0, a elementem zmiennym będzie wymiar wysokości ramienia wału.

Rysunek 4 Studium wykonalności wału pod kątem umieszczenia środka ciężkości na osi obrotu

Po zakończeniu analizy widzimy, że wartość parametru odległości została sprowadzona niemal do zera, co jest wystarczające dla naszych potrzeb (obliczona w trakcie analizy wartość 6.1*10-21 z pewnością spełnia nawet mocno wyśrubowane wymagania). Warto jednak pamiętać, że analiza wykonalności służy tylko do sprawdzenia, czy możliwe jest uzyskanie wyniku spełniającego zadane kryteria. Dzięki tej analizie wiemy jedynie, że istnieje wartość wymiaru, która umożliwi przesunięcie środka ciężkości modelu do osi obrotu. By jednak uzyskać optymalny wynik, musimy posłużyć się analizą optymalizacyjną.

Optymalizacja konstrukcji

Analiza optymalizacyjna (ang. Optimization Study) dostępna w Creo Behavioral Modeling, umożliwia odszukanie optymalnych wartości zdefiniowanych wymiarów i parametrów spełniających żądane kryteria. Jak pamiętamy z przyjętych założeń projektowych, oprócz wyważenia wału poprzez umieszczenie środka ciężkości w osi obrotu, naszym zadaniem jest także zmniejszenie masy całego wału. Właśnie takie możliwości daje nam analiza optymalizacyjna; wystarczy zdefiniować w niej funkcję celu w postaci minimalizacji wartości parametru masy pochodzącego z przeprowadzonej na samym początku analizy własności masowych. Dodatkowym ograniczeniem jest oczywiście odległość środka ciężkości od osi obrotu wynosząca zero.

Po zdefiniowaniu zakresu dozwolonych wartości wymiarów, w jakich algorytm będzie poszukiwał rozwiązania oraz po przeprowadzeniu analizy uzyskujemy nowe, optymalne wartości wymiarów. Dzięki analizie optymalizacyjnej uzyskaliśmy wartości wymiarów umożliwiające wyważenie wału poprzez umieszczenie środka ciężkości modelu w osi obrotu. Początkowa masa wału równa 0.27 kg obecnie wynosi 0.21 kg, co przekłada się na zmniejszenie masy wału o ok. 20%.

Rysunek 5 Optymalizacja wymiarów ramienia wału korbowego

Na dodatek badanie optymalizacyjne można zapisać w modelu jako zwykłą cechę. Oznacza to, że każda zmiana w geometrii polegająca na zmianie istniejących wymiarów lub dodaniu/usunięciu materiału za pomocą dołożenia do modelu nowej cechy nie spowoduje utraty optymalnej konstrukcji. Zapisanie optymalizacji w postaci cechy umożliwia nam przeprowadzenie analizy podczas każdej regeneracji modelu, co poskutkuje otrzymaniem za każdym razem optymalnej geometrii, jeżeli tylko będzie ona możliwa do uzyskania w ramach zdefiniowanych założeń.

Rysunek 6 Studium optymalizacyjne zapisane w modelu w postaci cechy

Monitorowanie założeń projektowych na bieżąco

Dodatkowym narzędziem dostępnym w Creo Parametric, które możemy wykorzystać podczas projektowania, jest Monitor wyników (ang. Performance Monitor). Korzystając z tego narzędzia, możemy określić wartości graniczne parametrów pochodzących z analiz i uzyskiwać na bieżąco informacje o stanie tych parametrów. W ten sposób otrzymujemy w trakcie projektowania powiadomienia, jeżeli któryś z monitorowanych parametrów przekroczy dozwoloną wartość. Na przykład: możemy zdefiniować warunek, że masa całego modelu nie może przekroczyć zadanej wartości i pozostawić taką analizę aktywną w tle. Jeżeli w trakcie projektowania wprowadzimy modyfikacje skutkujące zwiększeniem masy modelu ponad dozwoloną wartość, zostaniemy o tym od razu poinformowani. Jest to doskonałe narzędzie do kontrolowania zgodności pracy z założeniami projektowymi.

Rysunek 7 Monitor wyników na bieżąco ostrzega przed naruszeniem założeń projektowych

Podsumowanie

Opisany tu przykład nie jest jeszcze bardzo skomplikowany, ale np. projekt zbiornika oleju skutera śnieżnego polegający na uzyskaniu maksymalnej objętości wymaga już manipulowania wieloma wymiarami jednocześnie, zwłaszcza jeżeli rozmiar zbiornika jest dodatkowo ograniczony sąsiednimi komponentami. Dodatkowo równie istotne jest monitorowanie minimalnego poziomu oleju wraz z położeniem znacznika pokazującego poziom, poniżej którego konieczne stanie się uzupełnienie oleju. Wykorzystanie narzędzi analiz w takim projekcie sprawia, że znacznie szybciej i łatwiej można określić optymalną objętość zbiornika oraz wartość wymiaru położenia znacznika.

Rysunek 8 Zbiornik oleju skutera śnieżnego

Creo Behavioral Modeling to rozszerzenie, które znacznie usprawnia pracę konstruktora dzięki możliwościom wykorzystania analiz do sterowania geometrią modelu i reagowania na wprowadzane zmiany. Zawiera ono narzędzia umożliwiające najbardziej zaawansowane projektowanie parametryczne na podstawie cech, ponieważ pozwala na tworzenie cech dbających o to, żeby zmiany geometrii powodowały odpowiednią aktualizację całego modelu. To praktycznie wbudowanie w model założeń projektowych.

Autor: Łukasz Mazur