Optimalizace

Využití různých prostředků virtuálního prototypování nám umožňuje nejenom ověřovat chování výrobku při provozních podmínkách, ale i provádět optimalizaci jeho rozměrových nebo tvarových parametrů pro zvolenou cílovou funkci. Cílovou funkcí může být dosažení maximálního výkonu, účinnosti nebo naopak snížení ceny, hmotnosti, napětí, deformace rozměrů, zlepšení životnosti nebo dokonce dodržení několika omezujících podmínek současně pro různé typy analýz, tzv. multidisciplinární optimalizace.
Velice užitečným pomocníkem konstruktéra v počátečním stádiu návrhu výrobku je citlivostní analýza nebo prozkoumání celého prostoru návrhových proměnných DOE (Design Of Experiments). Tento přístup umožňuje stanovit vliv jednotlivých parametrů a to jak rozměrových tak materiálových nebo provozních na sledovanou vlastnost výrobku – výkon, účinnost, životnost, apod. Takové znalosti konstruktérovi umožňují změny konstrukce nebo i samotného konceptu výrobku, které by dříve bez ověření na fyzickém prototypu nebylo možné vůbec realizovat. V některých případech tyto postupy vedou k objevení zcela nových technických řešení.

Obrazky/33.png
Počáteční tvar výrobku před optimalizací

Obrazky/34.png
Výsledný tvar po optimalizaci. Při zachování stejné tuhosti a pevnosti dílu došlo k 50 % snížení hmotnosti výrobku

Dalším důležitým kritériem, které je možné za pomoci výpočetní analýzy stanovit a dodržet, je robustnost konstrukce. V inženýrské problematice se jedná o omezení vlivu nejistot ve vstupních parametrech na výsledné chování konstrukce. Známým příkladem těchto nejistot je tvarová změna způsobená opotřebením nástroje, rozdílností v materiálových vlastnostech, kontaminace materiálu a změna teploty nebo vlhkosti prostředí. Tradičně byly tyto nejistoty zohledňovány pomocí různých bezpečnostních koeficientů nebo množstvím výpočtů pro různé provozní stavy. Pomocí Robust Design Study v programech ANSYS je možné stanovit vliv těchto nejistot velice přesně a modifikovat návrh konstrukce tak, aby se citlivost na tyto nejistoty výrazně snížila.

Obrazky/35.png
Ukázka citlivosti požadované vlastnosti konstrukce danou cílovou funkcí na vstupní nejistoty v návrhových proměnných

Příkladem úspěšného nasazení výpočetních analýz a zejména optimalizace s využitím CFD výpočtů je společnost Voith Turbo. Společnost měla dlouhodobé problémy s dosažením požadované účinnosti ventilátorů chladících systémů dieselových agregátů lokomotiv. To vedlo společnost k rozhodnutí využít možnosti virtuálního prototypování a nákupu kompletu programového systému ANSYS CFX. Odborníci společnosti B. Horlacher a S. Kämmerer provedli optimalizaci chladicího systému dieselového agregátu, transmise a transformátoru lokomotivy ATR 220. Chladicí systém se skládá ze čtyř chladičů a třech ventilátorů. Tepelné výměníky byly modelovány v ANSYS CFX pomocí porézního média založeného na Darcyho zákoně. Pro posouzení změny hluku ventilátoru bylo použito ANSYS CFX Turbo Noise makro založené na Lowsonovu modelu. Výsledky výpočtu byly okamžitě promítnuty do změny konstrukce, což vedlo k dosažení požadované účinnosti ventilátoru a chladící jednotky a zvýšení konkurenceschopnosti zařízení a tím i celé společnosti.

[Obrazky/36.png]
Návrh ventilátoru před optimalizací a návrh ventilátoru společnosti Voith Turbo po optimalizaci pomocí ANSYS CFX vedoucí k tiššímu provozu