Optimierung von Systemen mit ANSYS Workbench und

STRUKTURMECHANIK
Optimierung von Systemen
mit ANSYS Workbench
und optiSLang
28
ANSYS Competence Center FEM
S
Seminare
Optimierung und Stochastik –
Wege zum Robust Design
Die Optimierung von Ingenieurkonstruktionen kann in vielen Fällen zu
Entwürfen führen, die sich unter genau definierten Bedingungen sehr gut
verhalten, aber schon bei kleinen Abweichungen starke Performanceverluste aufweisen. Dieser mögliche Verlust an Robustheit sollte bereits früh
in der Entwurfsphase erkannt und quantifiziert werden, was mit Hilfe stochastischer Methoden geschieht. Dieses Seminar stellt Ihnen die Grundlagen der robusten Optimierung vor, in der Elemente der mathematischen
Optimierung und der Wahrscheinlichkeitstheorie bzw. Statistik miteinander verknüpft werden.
Referent: Univ. Prof. Dr. Christian Bucher ist Bauingenieur und lehrt seit
2007 an der Technischen Universität Wien.
Dauer: 2 Tage
Kurs-Nr.: 10 630
STRUKTURMECHANIK
Optimierung und Reverse Engineering mit
optiSLang inside ANSYS Workbench
Wie viel Verbesserungspotential steckt noch in Ihren Designs? Erlernen
Sie, wie Sie mit einer bequemen Oberfläche Ihre Optimierungsziele und
-bedingungen definieren können. Dieses Seminar zeigt Ihnen Tipps zum
Parametrisieren, das Aufsetzen und Auswerten von Optimierungsprozessen für mechanische, elektromagnetische, strömungsmechanische und
gekoppelte Analysen sowie die Bewertung von Einflüssen durch in der
Realität auftretende Streuungen. Sie lernen ebenfalls, wie Sie durch
Reverse Engineering unsichere Simulations-Parameter den Versuchsergebnissen entsprechend anpassen können.
Dauer: 2 Tage
Kurs-Nr.: 11 409
Integration
von optiSLang
in den ANSYS
Workbench
CAE-Prozess
Bild: schutterstock.com/Dinga
teigender Zeitdruck und wachsende
Kosten stellen den Ingenieur immer
wieder vor neue Herausforderungen.
Rechnerunterstützte Methoden helfen
dabei heutzutage, die Produkte bis an ihr
Limit zu verbessern. Wo früher viel mit
Erfahrung und Bauchgefühl gearbeitet
wurde, versucht man nun immer häufiger
die Produkte in automatisierten Prozessketten abzubilden und in diesen noch das
letzte Optimierungspotential mit mathematischen Methoden zu ermitteln. Dabei
muss man kein Experte sein. Dynardo
und CADFEM bieten Ihnen hierzu
„optiSLang inside ANSYS Workbench“.
Es ermöglicht dem Benutzer, seine Optimierungsaufgabe mit minimalem Aufwand zu definieren. Dazu gehören die
Angabe von Zielen, das Festlegen von Fertigungsrestriktionen sowie die Eingabe
von Versagensgrenzen. Einmal definiert,
passen geeignete Optimierungsalgorithmen automatisiert das Design diesen
Vorgaben an. „Automatisiert“ muss dabei
betont werden; mit jahrelangem Knowhow wurden die Methoden entwickelt und
laufen fast schon selbstverständlich im
Hintergrund ab. Umso mehr kann sich der
Ingenieur nun auf die Auswertung der
Ergebnisse konzentrieren. Über ein leistungsstarkes Postprozessing werden Zusammenhänge zwischen Parametern
sichtbar, können auffällige Designkonstellationen gefunden und geeignete Kandidaten für potentiell gute Designs ermittelt werden.
Beschäftigt man sich mit der Optimierung, sollte man einen wichtigen
Punkt nicht außer Acht lassen: die in der
Realität auftretenden Streuungen der Ausgangsgrößen. Hart ans Limit optimierte
Designs tendieren oft zu großen Ausfallwahrscheinlichkeiten. Eine im Anschluss
an eine Optimierung durchgeführte Robustheitsbewertung fasst in Zahlen, welche
streuenden Eingangsparameter einen
starken Einfluss haben und wie stark diese
streuen. Daraufhin können Gegenmaßnahmen getroffen werden, um Produktionsstreuungen klein zu halten oder
Designs anpassen. In Kombination haben
Sie damit eine Robust Design Optimization – ein optimiertes Design, welches
gleichzeitig noch eine hohe Zuverlässigkeit
aufweist!
Termine und Anmeldung unter www.cadfem.de/seminare
23
1
2
3
4
5
Tipps & Tricks:
Effiziente Optimierungsabläufe mit ANSYS Workbench
Kurzer Prozess
Optimierungsaufgaben treten
in fast allen Bereichen des
Ingenieuralltags auf. Die Antwort
auf Fragen nach dem optimalen
Design eines Bauteils wird sehr
häufig über rechnerische Simulationen gefunden. Ein Hindernis
dabei ist, dass Optimierungsprozesse oft mit langen Rechenzeiten
einhergehen. In ANSYS Workbench gibt es einige Wege, um
diese Prozesse deutlich zu
verkürzen.
02 | 2011 infoplaner
D
er Zeitaufwand für Optimierungen
in ANSYS Workbench kann schon
mit kleinen Maßnahmen deutlich
verringert werden. So sollte nie darauf verzichtet werden, über Voruntersuchungen
anhand von Sensitivitätsanalysen die wichtigsten Eingangsparameter für Modelle
zu identifizieren. Die gewählten Optimierungsalgorithmen können genau auf diese
wichtigen Parameter beschränkt und dadurch die Anzahl der zu berechnenden
Designs massiv reduziert werden.
Ist die Berechnung der verbliebenen
Varianten aufgrund ihrer Komplexität
immer noch zu zeitintensiv, kann die
Nutzung von HPC (High Performance
Computing)-Technologie Abhilfe schaffen!
Soll dagegen nur der Teilbereich einer
Struktur optimiert werden, so bietet sich
die Submodelling-Technik von ANSYS
an. Noch schneller geht es über eine parallele – also zeitgleiche – Berechnung der
erforderlichen Designs!
Ein Beispiel: Bei einem Bauteil wird eine
Massenreduktion angestrebt, gleichzeitig
sollen auftretende Spannungen vorgegebene Grenzen nicht überschreiten. Wie
kommt man zum optimalen Design?
Zunächst wird der Ist-Zustand des Gesamtgeometriemodells über eine CADSchnittstelle eingelesen (1) und komplett
durchgerechnet. Die hier erhaltenen Ergebnisse werden einmalig abgespeichert
und für die weiter anstehenden Berechnungen zugänglich gemacht. Für alle weiteren Betrachtungen wird nun auch vom
Geometrievollmodell der zu optimierende
Bereich separiert – die Vorbereitungen fürs
Submodelling sind geschaffen (2).
Jetzt stellt sich dem Berechner die Frage,
welche geometrischen Eingriffe generell
sinnvoll sind. Die Topologieoptimierung
(3) hilft hier bei der Konzeptfindung. Per
Knopfdruck liefert Workbench einen Vorschlag, in welchen Bereichen ein geometrischer Eingriff sinnvoll ist. Diese Idee
wird nun bewertet und parametrisiert im
Geometriesubmodell umgesetzt (4). Hier
kommt ein wichtiger Punkt: Durch eine
geschickte Parametrisierung kann der Anwender sicherstellen, dass die später optimierte Geometrie in der Produktion auch
wirklich herstellbar ist.
Nach den Vorgaben der Designgrenzen
für die Parameter folgt nun die entscheidende Phase mit den Optimierungstools
optiSLang oder DesignXplorer ( (4)+(5)
mehrmals):
Die Sensitivitätsanalyse filtert die wichtigsten aus einer großen Menge von zuvor
definierten Eingabeparametern heraus.
Der Benutzer legt Ziele und Zwangsbedingungen fest und geeignete Antwortflächenverfahren oder biologische Algorithmen erledigen automatisiert den Rest.
Das optimierte Design liegt vor!
ANSYS Workbench bietet dem Anwender über die Projektseite für genau
solche Aufgaben einen durchgängigen
Workflow – und dies ohne Scripting.
Durch die genannten Methoden zur Rechenzeitreduzierung sind damit auch sehr
komplexe Berechnungsmodelle bereit für
die Optimierung!
InfoAutor
Markus Kellermeyer, CADFEM GmbH
Tel. +49 (0)8092-7005-942
[email protected]
InfoVerwendete Software
ANSYS Workbench, optiSLang, DesignXplorer,
ANSYS HPC
InfoOnline-Seminare
Seminar 1: Einführung in die parametrische Simulation
mit ANSYS DesignXplorer
Seminar 2: Vertiefung der parametrischen
Simulation mit ANSYS Workbench und optiSLang
www.cadfem.de/seminare/ansys/strukturmechanik
InfoLiteratur
www.cadfem.de/infoplaner
37
ANSYS
Robust Design Optimierung: optiSLang inside ANSYS Workbench
Der kalkulierte Zufall
Streuungen von Materialkennwerten und Umweltbedingungen oder
von Herstellungstoleranzen sind „im richtigen Leben“ oft der Auslöser,
wenn ein Exemplar aus vielen Tausenden baugleichen Produkten versagt.
Auch wenn das Produkt gewissenhaft konstruiert und geprüft wurde,
erfüllt es plötzlich seine Funktion nicht mehr, durch eine „Verkettung
unglücklicher Umstände“. Robust Design Optimierung (RDO) setzt hier an
und gibt dem Entwickler die Möglichkeit, den Faktor Zufall auch in der
virtuellen (Produktentwicklungs-) Welt angemessen zu berücksichtigen.
B
ei der Entwicklung neuer Produkte
wird nichts dem Zufall überlassen.
Oder doch? Optimierte Produkteigenschaften werden heute in einer virtuellen Laborwelt ermittelt, in der die Absicherung des Designraums gegenüber dem
Einfluss streuender Größen noch keine tragende Rolle spielt. Das Produkt ist auf einen
klar definierten Einsatzzweck optimiert,
aber noch nicht zwingend robust. Dies trifft
vor allem dann zu, wenn man sich bei einer
Optimierung bewusst an Leistungsgrenzen
annähert (z. B. extremer Leichtbau).
Welchen Vorteil hätte es für den Entwickler, wenn wesentliche Produkteigenschaften wie Ausfallsicherheit oder Grenzwerterfüllung unter zufallsbedingten
Einflüssen schon während der Produktentstehung mittels virtueller Prototypen
quantifizierbar wären? Das führt zur
Frage, ob zu einer sinnvollen und effizienten Optimierung nicht zwingend eine
aussagekräftige Robustheitsbewertung
gehört.
Robust Design Optimierung (RDO)
kombiniert die Optimierung von Produkt-
eigenschaften mit der Produktsicherheit,
d.h. der Robustheit gegenüber zufälligen
Streuungen beliebiger Größen. Jeder Ingenieur weiß, dass Materialkennwerte
streuen, Herstellungsparameter Toleranzen
unterliegen oder die zur Auslegung verwendeten Lasten und Randbedingungen
die Realität nur approximieren. Variantenstudien auf Basis voll parametrisierter Modelle in ANSYS Workbench (Design of Experiments) sind ein probates Mittel, um
den Einfluss von variablen Größen zu verstehen. Es ist aber völlig unmöglich, das
Zusammenspiel aller in der realen Welt potenziell vorkommenden Konstellationen
manuell zu untersuchen.
Die Akzeptanz von RDO auf breiter
Basis setzt voraus, dass die verwendeten
Methoden dem Anwender so zur Verfügung gestellt werden, dass er sie komfortabel und transparent einsetzen kann. Dies
wurde jetzt in ANSYS Workbench umgesetzt, wobei sich die Entwickler insbesondere den hohen Automatisierungsgrad
und die durchgängige Parametrik in Workbench zunutze gemacht haben. Mit der
Software optiSLang inside ANSYS Workbench bietet CADFEM ein mächtiges und
weltweit erfolgreiches Werkzeug zur Verbesserung der Qualität von Designs an.
Der Ingenieur kann dabei das vollständige Optimierungspotential eines
Designs nutzen. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse identifiziert optiSLang selbstständig die wichtigsten Parameter und
findet das bestmögliche Zusammenhangsmodell (Metamodell) zwischen den relevanten Eingangs- und Ausgangsgrößen.
optiSlang quantifiziert dazu die Prognosefähigkeit vieler globaler Metamodelle und
wählt daraus das Beste aus. Die intelligente
Erzeugung eines Metamodells hoher Prognosefähigkeit ist der Schlüssel zur Effizienz:
sie erlaubt eine „no run too much“-Philosophie um Solver-Aufrufe zu minimieren.
Zur Bewertung der Robustheit eines Designs sind nach der Optimierung die Streuungen zu definieren. Im Gegensatz zum
Optimierungsraum, der vom Bearbeiter frei
definiert werden kann, ist der Robustheitsraum durch alle potentiellen Streuungen vorgegeben und kann ohne belastbares Wissen über die Wichtigkeit der
einzelnen Parameter nicht reduziert werden.
optiSLang bietet „best in class“-Methoden
der stochastischen Analyse um auch die Variation der Ausgangsgrößen mit einem minimalen Aufwand an Solver-Aufrufen zu
ermitteln. Die Variation wird typischerweise
durch Mittelwerte, Standardabweichungen
oder Wahrscheinlichkeiten ausgedrückt.
Wenn zulässige Grenzwerte durch Streuung von Ausgangsgrößen verletzt werden,
dann identifiziert optiSLang die dafür verantwortlichen Eingangsparameter und hilft
dem Berechner Designs zu ermitteln, die
unempfindlicher sind gegenüber den Eingangsstreuungen.
optiSLang inside ANSYS Workbench
wird von Dynardo und CADFEM erstmals auf der ANSYS Conference & 29.
CADFEM Users’ Meeting im Oktober in
Stuttgart vorgestellt.
InfoAutoren
Dr.-Ing. Johannes Will, Dynardo GmbH
Dr.-Ing. Jürgen Vogt, CADFEM GmbH
InfoAnsprechpartner | CADFEM
Marc Vidal, CADFEM GmbH
Tel. +49 (0)8092-7005-18
[email protected]
optiPlug...
InfoVerwendete Software
ANSYS Workbench, optiSLang
InfoVeranstaltungshinweis
WOST 8.0 – Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage
24. - 25. November 2011 in Weimar
www.dynardo.de
infoplaner 02 | 2011
16
Digitale Konstruktion
konstruktionspraxis 1 – 2012
Berechnungen von
Varianten reduzieren
Bild: Dynardo - mit freundlicher Genehmigung von Bosch und Siemens Hausgeräte
Die neue CAE-Softwareversion "optiSLang
inside ANSYS Workbench" von Dynardo
vereinfacht Robust Design Optimierungsprozesse und reduziert die Zahl der Variantenberechnungen.
Die Zusatzrippen versteifen das Bauteil im relevanten Bereich sehr stark.
Die Verformungen über dem Motorschutzfilter sind mit unter 1,5 mm gering.
A
us der Notwendigkeit, Produktperformance und Ressourcenverbrauch weiter zu optimieren und
gleichzeitig Entwicklungszeiten zu verringern, wird die Robust Design Optimierung (RDO) mittels CAE-basierter
Optimierung und CAE-basierter stochastischer Analyse mehr und mehr zu
einer Schlüsselkomponente in der virtuellen Produktentwicklung.
Dabei wird die Optimierung von Produkteigenschaften mit der gleichzeitigen Absicherung der Produktsicherheit
und Robustheit gegenüber Herstellungstoleranzen sowie Streuungen von
Materialkennwerten und Umweltbedingungen kombiniert. Mögliche Zielkonflikte werden identifiziert und im
Sinne eines optimalen und robusten
Designs aufgelöst.
Eine produktive, serienmäßige Einführung von CAE-basierten Robust
Design Methoden in die virtuelle Produktentwicklung stellt dabei hohe
Anforderungen an die Automatisierbarkeit der CAE-Prozesse, an die Parametrik der Berechnungsmodelle sowie an
die Effizienz und Bediensicherheit der
RDO-Methoden.
Hier haben sich in den letzten Jahren in
der ANSYS Workbench neue
Möglichkeiten eröffnet, parametrische
CAD und CAE Modelle vieler
Berechnungsdisziplinen zusammenzuführen und zu automatisieren – und
damit Optimierungspotenziale der
virtuellen Produktentwicklung
zugänglich zu machen.
Gleichzeitig wurden in optiSLang die
Effizienz und der Automatisierungsgrad
der RDO-Methoden auch für komplexe
nichtlineare Berechnungsmodelle mit
vielen Optimierungsparametern und
stochastischen Variablen, mit Solverrauschen oder Designausfällen entscheidend verbessert.
Mit der Entwicklung quantifizierbarer
Prognosefähigkeit und der automatisierten Generierung von Metamodellen
optimaler Prognosefähigkeit (MoP)
wurden dabei wichtige Meilensteine zur
Verlässlichkeit von RDO-Ergebnissen
erreicht, die mit ingenieurtechnischen
aussagekräftigen Maßen einfach überprüft werden können.
Stärken der ANSYS Workbench und
von optiSlang kombiniert
Die neue Softwareversion "optiSLang
inside ANSYS Workbench" kombiniert
die Stärken der ANSYS Workbench –
multidisziplinäre, voll parametrische,
automatisierte CAE-Berechnungsprozesse – mit den Stärken von optiSLang,
also mit hoch effizienten, automatischen Workflows der Robust Design
Optimierung. Das Ergebnis: Sensitivitätsstudien, Optimierungen und
Robustheitsbewertungen für hochdimensionale nichtlineare Aufgabenstellungen wurden vereinfacht und können
mit einem Minimum an Variantenberechnungen durchgeführt werden.
War es bisher notwendig, zwei Programmumgebungen sowie deren
Zusammenspiel zu beherrschen, verbinden sich jetzt die Möglichkeiten
zweier führender Anwendungen in der
"Easy to use"-Oberfläche der ANSYS
Workbench. Damit können Robust
Design Optimierungsprozesse aus der
"Spezialistennische" in der sie heute oft
noch angesiedelt sind, in die breite
Anwendung gebracht werden.
Projektbeispiel für Parametrische
Design Optimierung: Optimierung
des Staubraumes eines Staubsaugergehäuses (mit freundlicher Genehmigung
von Bosch und Siemens Hausgeräte)
Zielsetzung des Projektes: Die Rückwand eines Staubraumes soll im
Digitale Konstruktion
2012 – konstruktionspraxis 1
Betrieb so versteift werden, dass sich
unter Temperatureinfluss und Belastung durch Unterdruck minimale Verformungen einstellen. Die FE-Simulation der thermisch mechanisch gekoppelten Simulation wurde in ANSYS Workbench durchgeführt. Die Sensitivitätsstudie und die Optimierung wurden
mit Hilfe von optiSLang durchgeführt.
Hintergrund: Bei Tests von Staubsaugern wird ein Störbetrieb simuliert. Der
Staubsauger arbeitet mit voller Last,
das Saugrohr ist jedoch verschlossen.
Durch die unterbrochene Zuführung
von Frischluft entsteht ein starker
Unterdruck im Staubraum. Zusätzlich
erhitzt sich dieser kontinuierlich, da die
Zuluft auch als Kühlung von Motor
und Gehäuse dient.
Durch dauernden Störbetrieb steigt die
Temperatur soweit an, dass elastische
Materialgrenzen überschritten werden
können und der Kunststoff sich unzulässig verformt. Durch das Verformen
kann ein Kurzschluss im Luftfluss auftreten. Die heiße Luft im Motorgehäuse bläst durch die Dichtung zurück in
den Staubraum. Dadurch entsteht ein
Kreislauf aus sich kontinuierlich erwärmender Luft. Ziel der Optimierung ist,
diesen Durchblaseffekt zu verhindern.
Sensitivitätsstudie und parametrische Optimierung: Das Grundmodell
wurde in ANSYS Workbench v12.1.
aufgebaut. Dabei wurde ein Teilmodell
herangezogen, das sich auf die hintere
Staubraumwand konzentrierte. Anbauteile wie Kabeltrommel, Elektronikplatine gaben den Bauraum vor.
Die Versteifung der Rückwand wurde
durch Rippen realisiert, die auf den
Kunststoff aufgebracht wurden. Diese
Versteifungsrippen sind parametrisch
im ANSYS DesignModeler an die
Rückwand angesetzt. Um die Rechenzeit einer Durchrechnung moderat zu
halten wurde für die Sensitivitätsstudie
geometrisch und materiell linear
gerechnet. Dies ermöglichte es, die
Berechnung einer Designvariante der
gekoppelten Temperatur-MechanikSimulation auf 2 Stunden zu begrenzen. Auch der Parameterraum der Rippen wurde von ursprünglich nn Optimierungsparametern auf eine Anzahl
von 15 reduziert.
Dabei wurde als Optimierungsalgorithmus das Verfahren der adaptiven
Antwortflächen gewählt. Dieses nimmt
die wichtigsten Trends der Designverbesserung effektiv auf und ist dabei
nicht sensitiv gegenüber kleinen Ergebnisstreuungen aufgrund der Neuvernetzung jeder Geometrievariante. Damit
lies sich ein Rippenmuster mit einer
verbesserten Steifigkeit von gut
20 % ermitteln.
(jup)
Dynardo
Tel. +49(0)3643 900830
konstruktionspraxis einmalige 4-falt
ffEinen weiteren Beitrag zum Thema Simulation lesen Sie in der
April-Ausgabe der
konstruktionspraxis.
ffDiesen Beitrag finden Sie auch online
auf unserer Webseite
unter der InfoClickNummer 2912645.
ffDynardo bietet zu
optiSlang + Ansys
Workbench ein Seminar an. Infos unter
http://lauflinx.de/bvO
ffWeitere Informationen zur Software optiSlang unter
http://lauflinx.de/
optislang
PRINT
ONLINE
EVENTS
SERVICES
17