R A T G E B E R. Übersicht

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1 R A T G E B E R SolidWorks Optimierung Übersicht Eine Optimierung kann als Berechnung mehrerer Zielvorgaben beschrieben werden. Zu den Vorgaben zählen u. a. Gewicht, Spannung, Kosten, Durchbiegung, Eigenfrequenzen oder Temperatur, die von Variablen (z. B. Bemaßungen, Lasten und Lager, Materialien und/oder Fertigungsanforderungen) abhängen. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Daten nur selten zu Beginn des Konstruktionsprozesses vorliegen. In diesem Dokument werden einige wichtige Optimierungskonzepte und die derzeit zur FEA-gesteuerten Optimierung verfügbaren Werkzeuge vorgestellt. Anschließend wird beschrieben, wie Konstrukteure die Optimierung in ihrer täglichen Arbeit optimal einsetzen können.

2 Einführung in die Optimierung In den vergangenen zehn Jahren haben Konstrukteure CAE-Werkzeuge, wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA), numerische Strömungsmechanik (CFD) und Bewegungssimulation, als wichtige und zuverlässige Hilfen bei der schnelleren Erstellung besserer Konstruktionen zu schätzen gelernt. Sie wissen, dass sie mithilfe dieser Werkzeuge Teile, Baugruppen und Produkte konstruieren können, die den höchstmöglichen Belastungen während des Betriebs standhalten. Produkte, die selbst im ungünstigsten Fall nicht versagen, erweisen sich jedoch unter Umständen als nicht optimal für die realen Umgebungen. Aufgrund der Sicherheits- und Festigkeitsanforderungen sind sie möglicherweise überkonstruiert und zu schwer für den Verwendungszweck oder nur unter erheblichen Schwierigkeiten und Kosten zu fertigen. Konstrukteure, die nach der Entwicklung des optimalen und rentabelsten Produkts für ihre Anwendungen streben, kommen an dem nächsten CAE-Schritt in der Produktentwicklung - der Optimierung - nicht vorbei. Die Konstruktionsoptimierung kann durch eine Steigerung der Leistung innerhalb der Betriebsumgebung den Nutzen eines Produkts erhöhen. Optimierung für Konstrukteure Die Konstruktionsoptimierung kann durch eine bessere Leistung innerhalb der Betriebsumgebung und durch niedrigere Fertigungskosten aufgrund der Reduzierung der verwendeten Materialmenge den Nutzen eines Produkts steigern. Der Konstrukteur steht im Produktentwicklungsprozess an vorderster Front. Heute ist ein solcher Ingenieur bereits mit der Konstruktionsanalyse vertraut. Das bedeutet, dass er bereits über das zur Optimierung erforderliche Grundwissen verfügt und für den nächsten Schritt lediglich Optimierungswerkzeuge benötigt. Durch die Optimierung erhält der Konstrukteur weitere Informationen zum Produktverhalten und kann unter Beachtung der Daten aus vorherigen Analysen sein Design verbessern. Abbildung 1: Zu optimierender Maulschlüssel Bausteine der Optimierung Der Optimierungsprozess besteht aus drei Hauptkomponenten: Zielvorgabe Zwangsbedingungen Variablen Ganz nüchtern betrachtet sollte die optimierte Konstruktion durch eine Änderung der Variablen die Zielvorgabe entweder maximieren oder minimieren. Die kritischen Reaktionen sollten dabei innerhalb definierter Zwangsbedingungen bleiben. SolidWorks Optimierung 2

3 Zielvorgabe Die Zielvorgabe ist der Zweck der Optimierung. Wenn Untersuchungen eines Unternehmens z. B. ergeben, dass sich durch die Fertigung des leichtesten oder kostengünstigsten Produkts ein Wettbewerbsvorteil ergibt, ist die Reduzierung des Gewichts oder der Kosten die Zielvorgabe für die Optimierung. In einem solchen Fall spricht man von einer Optimierung mit nur einer Zielvorgabe, also einer Einzieloptimierung. Wenn der Konstrukteur die Problemdefinition auf eine einzelne Zielvorgabe einschränken bzw. nur jeweils eine Zielvorgabe definieren kann, vereinfacht sich der Optimierungsprozess. Konstrukteure haben es häufig mit Mehrzieloptimierungen zu tun. Für diese sind jedoch u. U. mehr Ressourcen erforderlich als tagtäglich verfügbar sind. Wenn der Konstrukteur die Problemdefinition auf eine einzelne Zielvorgabe einschränken bzw. nur jeweils eine Zielvorgabe definieren kann, vereinfacht sich der Optimierungsprozess. In den meisten Fällen ist bei Strukturantworten die Gewichtsminimierung eine Zielvorgabe. Bei Flüssigkeitsströmungsanwendungen bestehen die häufigsten Zielvorgaben in der Minimierung des Druckabfalls und der Turbulenzenergie oder der Maximierung der Geschwindigkeit. Zwangsbedingungen Zwangsbedingungen machen den Optimierungsprozess realitätsgetreuer. Ein typisches Beispiel ist der in Abbildung 2 dargestellte Auslegerbalken. Bei der Einrichtung des Optimierungsproblems als Gewichtsminimierungsstudie ohne Zwangsbedingungen würde das Optimierungsprogramm unverzüglich die durch die Bemaßungsvariablen zulässige Mindestmaterialmenge wählen. In der Praxis sind an die meisten Teile jedoch andere Betriebsanforderungen, wie z. B. Festigkeit oder Steifigkeit, gestellt. Daher muss der Konstrukteur Zwangsbedingungen festlegen, die das akzeptable Verhalten des Teils in der Umgebung definieren. In der Regel wählt er dabei die in einer einzelnen statischen, thermischen oder Frequenzanalyse zulässigen Zwangsbedingungen aus. Abbildung 2: Ein Balken mit Mindestgewicht kann übermäßig durchbiegen Konstruktionsvariablen In einer Optimierungsstudie muss der Konstrukteur die Konstruktionsparameter ändern können, um unter mehreren möglichen Konstruktionskonfigurationen die beste auszumachen. Diese Parameter sind die Konstruktionsvariablen. Dabei kann es sich z. B. um Bemaßungen, die Anzahl von referenzierten Kopien in einem Muster, Materialeigenschaften, Lasten oder die Federnsteifigkeit handeln. Denkbar sind jedoch auch alle anderen Aspekte einer Konstruktion mit einem erkennbaren optimalen Wert. Eine Variable kann kontinuierlich sein, d. h. einen beliebigen Wert zwischen einem definierten Minimum und Maximum haben. Die meisten Bemaßungsvariablen fallen in diese Kategorie. SolidWorks Optimierung 3

4 Eine Variable kann aber auch diskret sein, d. h. einen definierten Satz möglicher Werte aufweisen. Die einfachste Form einer diskreten Variable hat den Wert ein/aus oder ja/nein. Das Vorhandensein oder Fehlen einer Schweißnaht oder eines Verbindungselements ist ein Beispiel für eine diskrete Variable. Ein weiteres Beispiel sind die referenzierten Kopien eines Musters oder ein Rad, das eine beliebige ganzzahlige Anzahl von Speichen, nicht aber 3,2 oder 4,7 Speichen haben kann. Blechdicken stellen ein Beispiel für eine Variable dar, die kontinuierlich oder diskret sein kann. In der Regel hat die Blechdicke vordefinierte Werte. Es ist jedoch allgemein üblich, die Dicke als kontinuierliche Variable zu definieren und anschließend auf die nächste Dicke auf- bzw. abzurunden. Die Auswahl der Variablen ist ein bedeutsamer Schritt bei der Einrichtung einer Optimierungsstudie. Werden zu viele (oder zu wenige) Variablen ausgewählt, kann das die Effektivität der Analyse beeinträchtigen. Bei zu vielen Variablen oder einem zu weit gesteckten Bereich hat das Programm u. U. Schwierigkeiten, die geeignetste Konfiguration für die Konstruktion zu bestimmen, insbesondere unter Berücksichtigung relativer Mindest- und Höchstwerte. Definiert der Konstrukteur andererseits zu wenige Variablen oder einen zu eng gesteckten Bereich, wird der Erfolg der Studie u. U. unnötigerweise eingeschränkt. Werden zu viele (oder zu wenige) Variablen ausgewählt, kann das die Effektivität der Analyse beeinträchtigen. Die zuverlässigste Methode zur ordnungsgemäßen Auswahl von Variablen besteht in der Durchführung anfänglicher Sensitivitätsstudien zu den verschiedenen Möglichkeiten. Diese Methode wird im nächsten Abschnitt beschrieben. Werkzeuge für die Produktoptimierung Die FEA-gesteuerte Optimierung stellt ein wachsendes Forschungsgebiet in der Konstruktion dar. Obwohl zahlreiche Programme und Techniken zur Durchführung verfügbar sind, werden heutzutage meistens Vergleichstudien, Sensitivitätsstudien und Formoptimierungen verwendet. Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Formoptimierung sind das Gradientenverfahren (Gradientensuche) und der statistische Versuchsplan (Design of Experiments - DOE). Letzterer basiert auf Berechnungen der Antwortfläche und führt zu robusten Lösungen, d. h. Lösungen, die im größten Bereich möglicher Betriebsbedingungen über die Lebensdauer des Produkts effektiv sind. Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Formoptimierung sind das Gradientenverfahren (Gradientensuche) und der statistische Versuchsplan (Design of Experiments - DoE). Vergleichsstudien Vergleichsstudien sind iterative Untersuchungen alternativer Konstruktionskonfigurationen. Der Konstrukteur kann z. B. eine Verstärkungsrippe hinzufügen oder eine der vorhandenen Verstärkungsrippen entfernen, um die Auswirkung auf die Leistung zu untersuchen. Vergleichsstudien können für die schnelle Untersuchung mehrerer Optionen von hohem Wert sein, da mit ihnen bestimmt werden kann, welche der möglichen Änderungen an einem Teil die größte Auswirkung hat. Aufgrund der unzähligen Kombinationen von Features ist es wichtig, die Iterationen und deren Ergebnisse aufzuzeichnen, um doppelte Daten oder Datenverlust zu vermeiden. SolidWorks Anwendern steht mit dem Dienstprogramm zum Konfigurationsvergleich ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Verwaltung von Vergleichstudieniterationen zur Verfügung. Nach Ermittlung der möglichen Änderungen, von denen einige einer weiteren Untersuchung bedürfen, kann der Konstrukteur anhand einer Sensitivitätsstudie die Variierbarkeit der entsprechenden Bemaßungen oder Konstruktions-Features untersuchen. SolidWorks Optimierung 4

5 Sensitivitätsstudien Bei einer Sensitivitätsstudie wird systematisch die Änderung der Reaktion bei unterschiedlichen Eingaben untersucht. Die Ergebnisse solcher Studien werden in der Regel in Diagrammen dargestellt, in denen die Größe des geänderten Parameters auf der X-Achse und die Reaktion auf die Änderung auf der Y-Achse angegeben sind. In Abbildung 3 ist ein Beispiel für ein solches Diagramm zu sehen. Eine hohe Variation in der Reaktion auf den Eingabebereich weist auf hohe Sensitivität, eine geringe Variation auf geringe Sensitivität hin. Anhand dieser Studien kann der Konstrukteur die Features bestimmen, die einer weiteren Untersuchung bedürfen. Mithilfe von Sensitivitätsstudien kann der Konstrukteur die Parameter mit der höchsten Signifikanz und den Wertebereich mit der größten Auswirkung auf die Zielvorgabe bestimmen. Abbildung 3: Parametersensitivitätsstudie Spannung in Abhängigkeit zur Dicke Mithilfe von Sensitivitätsstudien kann der Konstrukteur außerdem die Parameter mit der höchsten Signifikanz und den Wertebereich mit der größten Auswirkung auf die Zielvorgabe bestimmen. Ein FEA-basiertes Optimierungsprogramm kann eine solche Studie vervollständigen, indem das Problem mit einer Reihe von Werten für einen bestimmten Parameter gelöst und anschließend die Zielvorgabe und die unter den Zwangsbedingungen aufgetretenen Reaktionen grafisch dargestellt werden. In Abbildung 4 ist das Eingabeformular für die Einrichtung einer solchen Sensitivitätsstudie in SolidWorks Simulation unter Verwendung von Konstruktionsszenarios dargestellt. Bei dieser automatischen Methode werden alle zu berücksichtigenden Parameterbereiche gleichmäßig unterteilt, indem die zu untersuchenden Bemaßungswerte angegeben werden. Nachdem das Modell bei jeder Bemaßung gelöst wurde, erstellt das Programm Reaktionsdarstellungen (siehe Abbildung 4). Abbildung 4: Einrichtung einer Sensitivitätsstudie mit mehreren Parametern anhand von Konstruktionsszenarios SolidWorks Optimierung 5

6 Abbildung 5: Mit einem robusten Optimierungsalgorithmus kann die optimale Konstruktionsrichtung bestimmt werden Abbildung 6: Sensitivitätsdarstellung mit mehreren Mindestwerten Optimierung mit SolidWorks SolidWorks Simulation verwendet die DoE-basierte Optimierungsmethode. Zur Lösung eines Problems gibt der Konstrukteur die Maximal- und Minimalwerte seiner Bemaßungskonstruktionsvariablen an und wählt dann den Optimierungstyp (Standardoptimierung oder Optimierung mit hoher Qualität). Bei der Standardoptimierung wird davon ausgegangen, dass die Reaktionskurve zwischen den Grenzwerten linear ist. Es wird nur die Reaktion an diesen Werten berechnet. Bei der Optimierung mit hoher Qualität wird die Möglichkeit einer Reaktion zweiter Ordnung zwischen den Grenzwerten berücksichtigt. Es werden sowohl ein Mittelwert als auch die Extremwerte (Minimum und Maximum) berechnet. In Abbildung 7 ist eine Fahrzeugaufhängung dargestellt, die automatischen Konstruktionsiterationen mit variierender Größe dreier Verrundungen unterzogen wurde. In diesem Fall besteht die Zwangsbedingung für die Konstruktion darin, dass die Fließgrenze des Materials unter statischer Belastung nicht überschritten wird. Abbildung 7: Optimierung einer Aufhängung mit variablen Verrundungsradien SolidWorks Optimierung 6

7 Die SolidWorks Simulation Optimierungsstudie ergibt für jede Variable einen einzelnen Wert, der eine optimale Konfiguration darstellt. Um mit dieser Methode die höchstmögliche Genauigkeit zu erzielen, sollte der Konstrukteur den Wertebereich für jede Variable verfeinern und eine zweite Optimierung bzw. Sensitivitätsstudie ausführen. Dadurch erhält er einen schnellen und effektiven Überblick darüber, wie er sein Produkt verbessern und eine optimale Konstruktion erzielen kann. Optimaler Zeitpunkt für die Durchführung einer Optimierung Eine Optimierung hat den größten Nutzen, wenn sie zu einem frühen Zeitpunkt des Konstruktionsprozesses durchgeführt wird. Im weiteren Verlauf der Konstruktion nimmt die Komplexität tendenziell zu. Die Analyse und Implementierung von Änderungen wird immer schwieriger. In der Entwurfsphase kann der Konstrukteur mit der Optimierung sicherstellen, dass der Basiskonstruktion das richtige Material, die richtige Wanddicke, die richtigen Verstärkungs-Features und Befestigungsmethoden usw. zugeordnet wurden. Untersuchungen haben gezeigt, dass 80 % der Produktkosten im ersten Fünftel des Konstruktionsprozesses anfallen. Um sicherzustellen, dass die Leistung eines wettbewerbsfähigen Produkts den Erwartungen entspricht, lohnt es sich, bereits zu Beginn der Produktentwicklung optimale Konfigurationen zu suchen. Eine Optimierung hat den größten Nutzen, wenn sie zu einem frühen Zeitpunkt des Konstruktionsprozesses durchgeführt wird. Die Durchführung einer Optimierung macht aber nicht nur zu einem frühen Zeitpunkt des Konstruktionszyklus Sinn. Auch im späteren Verlauf kann der Konstrukteur eine Optimierung durchführen und damit Probleme beheben oder einzelne Features verbessern. Verbindung zwischen CAD und Analyse in der Optimierung Alle oben besprochenen Aspekte beziehen sich auf die FEA-gesteuerte Optimierung. Oft hängt die Finite-Elemente-Analyse von dem CAD-Programm ab, in dem die Konstruktion erstellt wurde. Auch das CAD-System ist aber für die Optimierung von hoher Bedeutung, da sich die Methode der Modellerstellung, die Bemaßungsschemata und die eingebetteten Beziehungen auf die Fähigkeit auswirken, Konstruktionsalternativen zu untersuchen. Bei der Modellerstellung sollte der Konstrukteur ein Bemaßungsschema in Betracht ziehen, das die Änderung von zuvor optimierten Features ohne Modellneuaufbaufehler zulässt. Die richtige Planung ist das A und O einer Optimierung. Ein Konstrukteur kann die Erstellung eines CAD-Modells, das ausschließlich für die Optimierung verwendet werden soll, als vorteilhaft betrachten und anschließend anhand der in diesem Prozess erfassten Informationen ein CAD-Modell für die Detaillierung und Fertigung erstellen. Die Komplexität des Teils und der Struktur sollten ihn bei der Wahl der zu untersuchenden Features unterstützen. SolidWorks Optimierung 7

8 Größtmöglicher Nutzen der Optimierung Konstrukteure, die beabsichtigen, die Optimierung zur Verbesserung von Konstruktionen und Produkten zu verwenden, müssen sich von vorgefassten Einstellungen lösen, was optimal ist. Sie können weitaus mehr Informationen ableiten, wenn sie sich mithilfe des Optimierungsprogramms einen Überblick verschaffen und anschließend die verschiedenen Implikationen der Daten verstehen. Aufgeschlossene Konstrukteure stellen eventuell fest, dass die Optimierungswerkzeuge mehrere mögliche Lösungen für das Problem liefern, die aus Sicht der Fertigungsanforderungen und effizienzen betrachtet werden müssen, um am Ende des Tages das optimale und rentabelste Produkt vorliegen zu haben. Konstrukteure, die beabsichtigen, die Optimierung zur Verbesserung von Konstruktionen und Produkten zu verwenden, müssen sich von vorgefassten Einstellungen lösen, was optimal ist. Abbildung 8: Roboterarm für die Mars Exploration Rover (MER) Mission der NASA Erfolg durch Optimierung Alliance Spacesystems Alliance Spacesystems Inc. (ASI) in Pasadena, Kalifornien/USA, konstruiert und fertigt mechanische Systeme, Roboter, Strukturen und Mechanismen für Raumfahrtgeräte und wissenschaftliche Instrumente. Insbesondere sind hier die von ASI gefertigten Roboterarme zu erwähnen, die in den höchst erfolgreichen Marsmobilen Spirit und Opportunity zum Einsatz kamen, die von der NASA für die Mars Exploration Rover (MER) Mission entwickelt wurden. ASI verwendete die integrierte Software SolidWorks Simulation, um die Konstruktion von Teilen und Baugruppen zu testen und optimieren. Für uns war jedes Gramm und jeder Millimeter von Bedeutung, so Brett Lindenfeld, Direktor of Engineering bei ASI. Da unsere Analysten SolidWorks Simulation für Spannungs- und thermische Analysen verwendet hatten, konnten sie unsere Konstrukteure effizient bei der Optimierung der Konstruktion unterstützen. Das Team war in der Lage, die Masse des Roboterarms um 20 % zu reduzieren (im Automobilbereich entspricht dies dem Platz, der für Motor und Getriebe erforderlich ist). Gleichzeitig konnten die Nacharbeiten auf unter einem Prozent gehalten werden. Wir waren schnell. Und dennoch konnten wir eine innovativere Konstruktion mit höherer Qualität erstellen. SolidWorks Optimierung 8

9 Kadant Johnson Kadant Johnson (ehemals The Johnson Corporation) in Three Rivers, Michigan/ USA, konstruiert und fertigt fortschrittliche Prozesssteuerungssysteme, Kugelgelenke, Saugrohr- und Heizsysteme und zugehörige Komponenten für die in der verarbeitenden Industrie verwendeten Flüssigkeits- und Wärmeübertragungsgeräte. Alan Ives, Director of Product Development, und sein Team mussten sich der Herausforderung stellen, die Konstruktion für eine Kugelgelenk- und Saugrohrbaugruppe, die im Trocknerbereich einer Hochgeschwindigkeitspapierfertigungsmaschine verwendet wird, zu optimieren. Die Verfeinerung einer bereits soliden Konstruktion anhand manueller Berechnungen und vorhandener FEA-Software wäre zu zeitaufwendig gewesen. Das Team benötigte eine neue Konstruktionslösung, um Zeit zu sparen und eine höhere Investitionsrentabilität zu erzielen. Abbildung 9: Saugrohrbaugruppen wurden von The Johnson Corporation optimiert Das Unternehmen analysierte und optimierte alle Komponententeile mit SolidWorks Simulation und erfasste mehr Konzepte in angemessener Zeit und mit weniger Konstruktionsiterationen. Das Ergebnis war eine festere, haltbarere und leichtere Baugruppe, die in nur einem Bruchteil der üblichen Entwicklungszeit entworfen wurde. Wir haben SolidWorks Simulation als sehr robustes Paket kennen gelernt, mit dessen Hilfe wir alle unsere Konstruktionszielvorgaben planmäßig erreichen konnten, erklärt Ives. Das Unternehmen erzielte bei allen drei Projekten eine Gewichtsreduzierung von 40 bis 50 % und konnte die vorhergesagte Reaktion in Beziehung zu physikalischen Tests setzen. Diese Reduzierung ist ein direktes Ergebnis der Optimierung der Konstruktion mit SolidWorks, so Ives abschließend. Fazit Die Konstruktionsoptimierung kann durch eine bessere Leistung innerhalb der Betriebsumgebung und durch niedrigere Fertigungskosten aufgrund der Reduzierung der verwendeten Materialmenge den Nutzen eines Produkts steigern. Durch die Optimierung erhält der Konstrukteur weitere Informationen zum Produktverhalten und kann sein Design verbessern. Unternehmenssitz Dassault Systèmes SolidWorks Corp. 300 Baker Avenue Concord, MA USA Telefon: info@solidworks.com Hauptsitz Europa Telefon: +33-(0) infoeurope@solidworks.com Niederlassung Deutschland Telefon: +49-(0) infogermany@solidworks.com SolidWorks ist eine eingetragene Marke der Dassault Systèmes SolidWorks Corp. Alle anderen Firmennamen oder Produktbezeichnungen sind Marken oder eingetragene Marken der jeweiligen Eigentümer. Urheberrechtlich geschützt von Dassault Systèmes, Alle Rechte vorbehalten. MKOPTWPDEU0111