ottimizzazione topologica del braccio inferiore di una sospensione ...

PROGETTAZIONE DI VEICOLI (METODI DI OTTIMIZZAZIONE)ESERCITAZIONEOTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE DI UN COMPONENTE AUTOMOBILISTICOTutorialDi seguito sono riportati i passi da seguire per la definizione di un problema di ottimizzazionetopologica attraverso il software Optistruct (Altair Engineering). Allo studente è fornito ilmodello FEM del braccio di una sospensione automobilistica. Il presente tutorial ha lo scopo diaiutare nella definizione dei parametri dell’ottimizzazione attraverso l’interfaccia di HyperMesh.Il problema di ottimizzazione è strutturato nel seguente modo:Obiettivo: Min (compliance)Vincoli di progetto: Max (mass), Manufacturing constraintsVariabili di progetto: Element DensityNOTA: Tuttavia, l’impostazione del medesimo problema può essere affrontata in modo differentein termini di funzione obiettivo e vincoli di progetto. Questo sarà oggetto di discussione durantel’esercitazione in aula.Problema di ottimizzazioneIl problema si struttura in 3 parti:- Uso del modulo HyperMesh per creare il modello di input del componente in analisi- Ottimizzazione topologica attraverso Optistruct- Analisi dei risultatiIl seguente tutorial è così articolato:1. Caricare il modello FEM in HyperMesh2. Definizione delle proprietà del materiale e assegnazione dello stesso alle parti checostituiscono il componente3. Applicazione dei carichi e delle condizioni di vincolo4. Setup del problema di ottimizzazione attraverso Hypermesh5. Definizione dello spazio di progetto per l’ottimizzazione6. Definizione di responses, constraints e objective function7. Risoluzione del problema attraverso Optistruct per determinare la distribuzione ottima delmateriale8. Post-process dei risultati1

Dalla pagina principale di HyperMesh,____________________________________1. Cliccare sull'icona e caricare il file Eserc_Mc_Pherson.hmNOTA: Il braccio della sospensione è già stato creato.Al lato dell’area grafica, è possibile esplorare le parti che costituiscono il modello (componenti,vincoli, materiale, casi di carico ecc.). Come è possibile notare, il modello è costituito da5

3 components1. una parte denominata “Design” la quale rappresenta il dominio utile sottoposto adottimizzazione topologica2. una parte denominata “Non-Design” che rappresenta il dominio escluso dal problema diottimizzazione topologica3. una parte denominata “Rigids” che include i punti cinematici della sospensione (i punti C 1e C 2 in corrispondenza dei quali verranno applicati i vincoli e il punto B sul quale agiranno icarichi trasmessi alla sospensione dal contatto pneumatico – strada)1 materialSteelIl materiale di cui è costituita ogni sua parte è acciaio (E = 206000 MPa e = 7850 kg/m 3 ).2 propertiesDesign e Non Design. La property definisce la formulazione assegnata agli elementi (PSOLID) ealtre proprietà degli elementi, ad esempio l’id del materiale associato.NOTA: il quarto componente (denominato Ivl0) è creato automaticamente dal software quandoviene importata la geometria del componente in HyperMesh.NOTA2 :Si consiglia di salvare il file hm durante lo svolgimento dell’esercitazione. Per fare ciòbasta cliccare sull’icona della toolbar, o selezionare il lemma “Save as” dal menu a tendina“File” per rinominare il file come altro nome.6

Creare i LOADCOLLECTORSAl fine di applicare i vincoli e i carichi al sistema di sospensione, è necessario creare deiloadcollectors:1. Cliccare con il tasto dx del mouse nell’area relativa al modello (a lato dell’area grafica)2. Selezionare Create Loadcollector3. Nominare il loadcollector (ad esempio “Vincoli”) e selezionare un colore4. Ripetere le operazioni 1, 2 e 3 per le forze (Fx, Fy ed Fz) da applicare al punto cinematicoB.7

LoadCollectorsCREATIApplicazione dei vincoliLa sospensione è vincolata a terra isostaticamente attraverso un vincolo di cerniera e carrello(applicati ai punti cinematici C 1 e C 2 ). Tuttavia, al fine di non rendere labile la struttura, ènecessario impedire lo spostamento in Z di un punto (nodo ID 6827) preso di comodo sulcomponente.1. Cliccare con il tasto dx del mouse sul loadcollector Vincoli e selezionare Make current8

LoadCollectorATTIVO2. Selezionare nel pannello Analysis, il comando constraints3. Cliccare sul comando node e selezionare by ID4. Inserire il nome del nodo 13302 (corrispondente al punto cinematico C 2 ) e premere ENTER5. Bloccare i gradi di libertà corrispondenti al tipo di vincolo che si vuole applicare e inrelazione al sistema di riferimento adottato (in questo caso si tratta di un vincolo di cerniera:pertanto selezionare dof1, dof2 e dof3 – vedi figura sotto)9

6. Selezionare il comando create (tasto in verde sul lato destro del pannello constraints)In questo caso sonoselezionati i gradi di liberta1,2 e 3 il vincoloapplicato è una cerniera7. Ripetere le operazioni 3, 4, 5 e 6 per il punto cinematico C 1 (nodo ID 13303) del quale sidovrà bloccare solo dof1 e dof3 (vincolo di carrello)8. In modo analogo ripetere le medesime operazioni per impedire lo spostamento in Z (dof3)relativamente al nodo ID 6827 preso di comodo sul componente9. Selezionare return per tornare alla schermata principale10

Pannello create4. Selezionare sul comando create in modo da creare la forza (tasto in verde sul lato destro delpannello forces)5. Ripetere le operazioni 1, 2, 3 e 4 per creare le forze Fy e Fz.6. Al termine selezionare il comando return per tornare alla schermata principaleNota: Qui di seguito si riporta una tabella riassuntiva in cui è indicato per ogni carico da applicare alcomponente il punto di applicazione, il modulo e la direzione corrispondente al sistema diriferimento locale in HyperMesh.Nodo ID Nome Modulo Asse13301 Fx 13800 + y13301 Fy 8200 + x13301 Fz 970 + zCreazione dei casi di caricoA questo punto è necessario organizzare i loadcollectors creati precedentemente in opportuni casi dicarico ciascuno dei quali è definito da un vincolo e da un carico applicato alla struttura. Verrannocreati 3 casi di carico (subcases)Subcase SPC LOADbrake Vincoli F xcorner Vincoli F yvert Vincoli F z12

Si proceda nel seguente modo:1. Dal pannello di comando Analysis, selezionare il pannello loadsteps2. Cliccare su name = e scrivere brake3. Selezione il riquadro a fianco del comando SPC (= single point constraint), cliccare su = ,selezionare dall’elenco il loadcollector Vincoli4. Selezionare il riquadro a fianco del comando LOAD, cliccare su = , selezionare dall’elencoil loadcollector Fx5. Premere create6. Cliccare su name = e scrivere corner7. Selezione il riquadro a fianco del comando SPC (= single point constraint), cliccare su = ,selezionare dall’elenco il loadcollector Vincoli8. Selezionare il riquadro a fianco del comando LOAD, cliccare su = , selezionare dall’elencoil loadcollector Fy9. Premere create10. Cliccare su name = e scrivere vert11. Attivare il riquadro a fianco del comando SPC (= single point constraint), cliccare su = ,selezionare dall’elenco il loadcollector Vincoli12. Attivare il riquadro a fianco del comando LOAD, cliccare su = , selezionare dall’elenco illoadcollector Fz13. Premere create14. Selezionare returnDefinizione del problema di ottimizzazioneDefinizione dello spazio di progettoIn questa fase si definisce la parte del componente (= braccio della sospensione) che deve essereottimizzato (component Design)Si proceda nel seguente modo:1. Dal pannello di comando Analysis, selezionare il comando optimization13

2. Cliccare su topology3. Selezionare il pannello create4. Selezionare props5. Attivare Design6. Cliccare su Select7. Selezionare il tipo di componente attraverso il comando type: tra le varie opzioni sceglierePSOLID8. A desvar = assegnare il nome solids9. Selezionare create10. Cliccare su return per ritornare al pannello di comando optimizationDefinizione dei responsesL’obiettivo di questa esercitazione consiste nell’ottimizzazione topologica del braccio dellasospensione.Obiettivo dell’ottimizzazione è ridurre quanto più possibile il materiale nella zona di Design,minimizzando così la massa del componente e garantendo allo stesso tempo rigidezza alla struttura(minima energia di deformazione).Per definire i responses si proceda nel seguente modo:14

1. Dal pannello di comando Analysis, selezionare il comando optimization2. Selezionare responses3. Assegnare a response = il nome massf4. Selazionare come response type massfrac (= frazione di massa) facendo scorrere il menucorrispondente5. Selezionare total (o eventualmente cliccare sul componente di interesse di cui si voglialimitare la massa ovvero la parte di Design)6. Cliccare create per creare il response massf7. Assegnare a response = il nome wcomp8. Selazionare come response type weighted comp (= energia di deformazione pesata suicasi di carico) facendo scorrere il menu corrispondente9. Selezionare loadsteps, attivare tutti i casi di carico (brake, corner e vert) e assegnare ilvalore 1 nello spazio bianco a fianco), infine selezionare return10. Cliccare create per creare il response wcomp11. Cliccare su return per ritornare al pannello di comando optimizationDefinizione dei vincoli di ottimizazione15

1. Dal pannello optimization, selezionare il comando dconstraints2. Assegnare a constraint = il nome massf3. Attivare upper bound e assegnare il valore 0.254. Cliccare su response5. Selezionare massf6. Cliccare create per creare il vincolo di ottimizzazione7. E’possibile usare il comando review per vedere il/i vincolo/i di ottimizzazione creato/i8. Cliccare su return per ritornare al pannello di comando optimizationDefinizione della funzione obiettivo1. Dal pannello optimization, selezionare il comando objective2. Verificare che lo switch sia settato su min3. Cliccare su response = e selezionare wcomp16

4. Cliccare create per creare l’obiettivo dell’ottimizzazione5. Cliccare su return per ritornare al pannello di comando optimization6. Cliccare ancora return per tornare alla schermata principaleControllo delle opzioniPrima di eseguire la verifica della sintassi del file di input, si consiglia di aumentare il numeromassimo di iterazioni che potrà eseguire il risolutore (Optistruct).Per fare ciò si proceda nel seguente modo:1. Dal pannello Analysis, selezionare optimization, e quindi selezionare il comando opticontrol2. Attivare l’opzione DESMAX3. Il numero massimo di iterazioni è fissato di default a 30. Inserire un numero massimo diiterazioni pari a 80.4. Selezionare due volte return per tornare alla schermata principaleInoltre, può essere comodo, visualizzare a video il valore della funzione obiettivo per ogniiterazione durante il processo di ottimizzazione. Per fare ciò:1. Dal pannello Analysis, selezionare il comando control cards17

2. Attraverso il comando next, far scorrere il menu fino a trovare l’opzione SCREEN3. Selezionare il comando SCREEN e scegliere dal menu l’opzione LOG4. Per attivare l’opzione basta semplicemente selezionare return (si noterà che il tastocorrispondente al comando SCREEN sia diventato verde ciò significa che l’opzione èstata attivata)5. Selezionare nuovamente return per tornare alla schermata principaleVerifica del file di inputDurante il check, Optistruct oltre a verificare la correttezza della sintassi del file di input, valutaapprossimativamente la RAM necessaria per eseguire il processo di ottimizzazione e stima lo spaziosul disco necessario per il salvataggio dei risultati.18

1. Dal pannello Analysis, selezionare il comando Optistruct2. Da questo sotto-pannello di comandi, è possibile eseguire una verifica del file di input (check)lanciare un analisi FEM / ottimizzazione del componente (analysis / optimization)3. Cliccare su save as, digitare il nome del file di input e quindi selezionare save4. Come Run Options selezionare Check5. Cliccare sul comando Optistruct per iniziare l’analisi del file di input (la verifica impiegheràapprossimativamente da 5 a 10 secondi!)NOTA: l’esito della verifica del file di input è visibile sulla finestra di prompt di DOS. Nel file*.fem che è stato salvato sarà possibile visionare una serie di informazioni relativamente:- Setup del processo di ottimizzazione- Stima della memoria RAM necessaria per eseguire il processo di ottimizzazione topologica- Stima dello spazio su disco richiesto per lanciare il processo di ottimizzazione- …etc6. Chiudere la finestra DOS e cliccare su returnEsecuzione del processo di ottimizzazione1. Dal pannello Analysis, selezionare il comando Optistruct2. Cliccare su save as, digitare il nome del nomefile.fem e quindi selezionare save3. Come Run Options selezionare Optimization4. Cliccare sul comando Optistruct per iniziare l’ottimizzazioneOptistruct genererà una serie di files nella cartella di lavoro (la stessa dove è stato salvato il file.fem): questi saranno automaticamente caricati durante la visualizzazione dei risultati (vedi tabellasottostante).NOTA: Il processo di ottimizzazione topologica durerà circa dai 5 ai 10 minuti. La velocità delprocesso dipende dalle prestazioni del processore e dalla memoria RAM disponibile.5. Chiudere la finestra di DOS una volta terminato il processo di ottimizzazione19

6. Cliccare su returnVisualizzazione dei risultati (post-process)Optistruct provvede a fornire le informazioni relative alla densità degli elementi per tutte leiterazioni del processo di ottimizzazione. Inoltre, possono essere visualizzati gli spostamenti e glisforzi (Von Mises) agenti sul componente in analisi in corrispondenza alla prima e all’ultimaiterazione.20

Visualizzazione della distribuzione di materiale (contour plot)1. Dalla schermata principale selezionare il pannello Post, selezionare contour2. Settare simulation = DESIGN [27] (ovvero deve essere selezionata l’ultima delleiterazioni), poi selezionare returnNOTA: Se è necessario far scorrere le iterazioni attraverso il comando prev o next3. Cliccare su data type = e selezionare Element Density4. Sezionare il sotto-pannello iso-surface5. Attivare l’opzione show6. Cambiare la modalità di visualizzazione da legend based a value based7. Impostare il valore di iso surface = 0.38. Attivare l’opzione include faces above9. Selezionare il comando assignRappresentazione della distribuzione ottimale di materiale secondo una “iso-superficie”21

Ottimizzazione topologica con vincoli di manufattibilitàIn questa seconda parte dell’esercitazione si procederà alla formulazione di un problema diottimizzazione topologica con l’aggiunta di vincoli di manufattibilità. Infatti, il componenteottenuto dall’ottimizzazione topologica, talvolta, può essere difficile da realizzare. Qui di seguitosono riassunti alcuni tipici problemi che si possono incontrare durante l’impostazione di unproblema di ottimizzazione topologica relativamente alla manufattibilità del componente:Discreteness ofthe solutionUnsymmetricaldesignCastingproblemsExtrusionproblemsOptistuct offre diversi metodi per tener conto della realizzabilità del componente durantel’ottimizzazione:- Controllo del minima dimensione del componente- Combinazione dei vincoli di simmetria con i vincoli di direzione (draw direction)- Vincoli di estrusioneDefinizione dei vincoli di manufattibilitàNell’ipotesi che il braccetto della sospensione possa essere ottenuto per forgiatura, Optistructconsente di tener conto della direzione di stampaggio durante il processo di ottimizzazionetopologica.Per fare ciò si proceda nel seguente modo:1. Dal pannello di comando Analysis, selezionare il comando optimization22

2. Cliccare su topology3. Selezionare (a destra del pannello di comandi) il tasto review4. Cliccare su solid5. Selezionare il pannello di comandi draw (dove si definisce la direzione di lavorazione delcomponente)6. Cliccare due volte su desvar = e selezionare solid7. Cambiare draw type nell’opzione single8. Cliccare sul tasto anchor node, e inserire node id = 7057, e dare l’invio (ENTER)9. Cliccare sul tasto firrst node, e inserire node id = 7061, e dare l’invio (ENTER)NOTA: l’anchor node, insieme con il first node, definisce la direzione apertura dello stampo allafine di un processo, ad esempio, di pressofusione.anchor nodefirst node11. al problema di ottimizzazione attraverso il vincolo di manufattibilità12. Cliccare due volte su return per tornare alla schermata principaleEsecuzione del processo di ottimizzazione1. Dal pannello Analysis, selezionare il comando Optistruct2. Cliccare su save as, digitare il nome del nomefile_draw.fem e quindi selezionare save3. Come Run Options selezionare Optimization4. Cliccare sul comando Optistruct per iniziare l’ottimizzazione23

NOTA: Il processo di ottimizzazione topologica durerà in funzione dalle prestazioni del processoree dalla memoria RAM disponibile.5. Chiudere la finestra di DOS una volta terminato il processo di ottimizzazione6. Cliccare su returnVisualizzazione dei risultati (post-process)Visualizzazione della distribuzione di materiale (contour plot)10. Dalla schermata principale selezionare il pannello Post, selezionare contour11. Settare simulation = DESIGN [31] (ovvero deve essere selezionata l’ultima delleiterazioni), poi selezionare returnNOTA: Se è necessario far scorrere le iterazioni attraverso il comando prev o next12. Cliccare su data type = e selezionare Element Density13. Sezionare il sotto-pannello iso-surface14. Attivare l’opzione show15. Cambiare la modalità di visualizzazione da legend based a value based16. Impostare il valore di iso surface = 0.42 (è possibile scegliere la visualizzazione delladistribuzione di materiale cambiando la soglia di iso-surface)17. Attivare l’opzione include faces above18. Selezionare il comando assign24

Rappresentazione della distribuzione ottimale di materiale secondo una “iso-superficie”. Inquesto caso è stato aggiunto un vincolo di manufattibilità sul componente.Caricare una simulazione e visualizzare i risulatiQuando una simulazione o un processo di ottimizzazione topologica viene eseguito, come dettoprecedentemente, files con differenti estensioni vengono salvati nella cartella di lavoro (vedi tabellaprecedente). Per caricare una simulazione precedente e visualizzarne i risultati si proceda comesegue:1. Da qualsiasi schermata in HyperMesh, selezionare il pannello files2. Attraverso il sotto-pannello di comand import, caricare il nomefile.hm del modello3. Selezionare il sotto-pannello results e caricare attraverso il browse il nomefile.res4. Cliccare su return25

NOTA: Per cancellare un modello e caricarne un altro occorre, selezioneare l’item New, dal menuFile.26