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Gestión empresarial de la innovación

Modulo 3: Herramientas tecnológicas para la optimización en ingeniería

Optimización en desarrollo de productos

13 de mayo, 2015 - Sunchales

PhD Ezequiel Manavela Chiaperoemanavela@cites-gss.com

ContenidosPrimera parte

Introducción

Diseño y desarrollo de producto

Herramientas para la optimización

Segunda parte

Casos de estudio

Cierre y conclusiones

Parte I

Introducción y conceptos importantes

Introducción¿Optimización?

Alternativas disponibles (espacio de

optimización)

Obtención de la mejor alternativa

Criterio

Herramienta

Introducción

x xxx

CriterioEspacio de optimizaciónHerramientaDiseño óptimo

Desarrollo de productosProceso actual

Dibujo (CAD) Cálculo (FEA)

Desarrollo de productos¿Optimización?

Costos

Tiempos

Calidad OptimizaciónOptimización

FEAFEA

Breve historia y contexto del análisis por elementos finitos (FEA)

Cálculo variacional aplicado a problemas de condición de contorno para ecuaciones en derivadas parciales

¿Qué es?

¿Ventajas?

Representación precisa de geometrías complejas

Fácil implementación de diferentes propiedades materiales

Breve historia y contexto del análisis por elementos finitos (FEA)

1950s/60s: Análisis estructural en aplicaciones aeronáuticas y de ingeniería civil de alta complejidad.

1970s: Obtiene su mayor ímpetu a través de desarrollos en diversas universidades (Stuttgart, Berkeley, Swansea, Paris, Cornell, etc). Lanzamiento de NASTRAN (NASA).

1980s: Análisis estructural (FEA) se convierte en una herramienta para el diseño-exploración a través de la iteración.

1990s: 3D-CAD + FEA en computadoras personales aceleran el proceso de diseño.

2000 al presente: FEA reemplazó por completo los ensayos físicos en algunos segmentos.

Contexto de la optimización estructural

Pre 1980s: Poder computacional no era suficiente para poder realizar cálculos de optimización.

1980s: Análisis estructural (FEA) se convierte en una herramienta para el diseño-exploración a través de la iteración.

1990s: La optimización estructural comienza a convertirse en una opción efectiva para productos en algunos pocos segmentos.

2000 al presente: Rápido crecimiento en la academia, investigación financiada y aplicaciones industriales con nuevos métodos y aplicaciones interdisciplinarias.

Paralelo entre la evolución de FEAy los métodos de optimización

1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s

1980s 1990s 2000s

Análisis estructural por elementos finitos

Optimización estructural

Herramientas para la optimización

¿Optimización?

Alternativas disponibles (espacio de

optimización)

Obtención de la mejor alternativa

Criterio

Herramienta

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

¿Como?

¿Para que?

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Tamaño

Forma

Topología

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Tamañoh

e

b

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Forma

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Forma

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?Topología

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?Topología

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Tomado de http://www.math.uni-trier.de/~schmidt/gputop.html#./gputop_files

Topología

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Topología

Wang, Mingming, and Xiaoping Qian. "Efficient filtering in topology optimization via B-splines." Journal of Mechanical Design 137, no. 3 (2015): 031402.

Herramientas para la optimización

Problema de Kelvin

Herramientas para la optimización

Problema de Kelvin¿Cual es la manera más eficiente de dividir el espacio en celdas de igual volumen, con el área más pequeña de contacto entre ellas?

…en dos dimensiones:

Herramientas para la optimización

Problema de Kelvin¿Cual es la manera más eficiente de dividir el espacio en celdas de igual volumen, con el área más pequeña de contacto entre ellas?

…en tres dimensiones?

Octaedro truncadoLord Kelvin (1887)

Herramientas para la optimización

Problema de Kelvin¿Cual es la manera más eficiente de dividir el espacio en celdas de igual volumen, con el área más pequeña de contacto entre ellas?

…en tres dimensiones?Estructura de Weaire–PhelanDenis Weaire y Robert Phelan (1993)

Tetradecaedro Dodecaedro irregular

Herramientas para la optimización

Problema de Kelvin¿Cual es la manera más eficiente de dividir el espacio en celdas de igual volumen, con el área más pequeña de contacto entre ellas?

Beijing National Aquatics Center

(Water Cube)

Herramientas para la optimización

¿Qué se puede optimizar?

Herramientas para la optimización

¿Para que?

Minimizar

MaximizarPeso Esfuerzos

Caída de presión

Rigidez

Rigidez

Velocidad de flujo

Transferencia de calor

Frecuencia natural del primer modo de

oscilación

Mezclado de fluidos

Herramientas para la optimización

¿Como?

Herramientas para la optimización

¿Como?

Herramientas para la optimización

Confiabilidad y optimización robusta

Incertezas

Simulaciones Manufactura

Optimización

Costos

Tiempos

Calidad

Mejor desempeño Mayor nivel de confianza

Herramientas para la optimización

Confiabilidad y optimización robusta

Seguro

Falla

Diseño óptimo, no robusto, no confiable

Diseño robusto y confiable

Herramientas para la optimización

Diseño óptimo, robusto y confiable

Herramientas para la optimización

Fabricación

??

¿Posible?

¿Rentable?

Herramientas para la optimización

OptimizaciónOptimización

FEAFEA

Diseño óptimo

¿Fabricación?

Diseño final

Parte II

Casos de estudio

Ejemplos de implementación

Optimización topológica para pieza aeroespacial fabricada por adición metálica

Tomlin, Matthew, and Jonathan Meyer. "Topology optimization of an additive layer manufactured (ALM) aerospace part." In The 7th Altair CAE Technology Conference, Gaydon, UK, 10th May. 2011.

“Brave New World with Stephen Hawking” - Epsiode 3 - Techonolgy

Video!

Ejemplos de implementación

Optimización topológica para pieza aeroespacial fabricada por adición metálica

Tomlin, Matthew, and Jonathan Meyer. "Topology optimization of an additive layer manufactured (ALM) aerospace part." In The 7th Altair CAE Technology Conference, Gaydon, UK, 10th May. 2011.

EADS (Airbus 320)

Ejemplos de implementación

Pieza original

EADS (Airbus 320)

Desperdicio de material…

Ejemplos de implementación

Estrategia de optimización

EADS (Airbus 320)

Objetivo: Peso (material)

Condiciones: Pieza viable y funcional

Mantener: Tensiones Rigidez

Ejemplos de implementación

Primera rueda de optimización

EADS (Airbus 320)

¡Selección de las áreas no optimizables!

Ejemplos de implementación

EADS (Airbus 320)

Segunda rueda de optimización

Mejor distribución de carga en tornillos

Ejemplos de implementación

Caso EADS

EADS (Airbus 320)

Ejemplos de implementación

Caso EADS

EADS (Airbus 320)

Ejemplos de implementación

100%

50%

0%Peso Rigidez Máx. fuerza

tornillosTensión máxima

Original

Optimizado

EADS (Airbus 320)

Ejemplos de implementación

Prototipado rápido para la optimización del diseño de una cincha

Zaimović-Uzunović, Nermina, Samir Lemeš, Damir Ćurić, and Alan Topčić. "Rapid Prototyping for sling design optimization." Advances in Production Engineering & Management 6, no. 4 (2011)

Ejemplos de implementación

Optimización de forma para un producto de fundición

Modelado 3-D + Análisis de tensiones deformaciones (CAD/CAE NX4)

Optimización de forma por el método de tracción (Optishape-TS)

Restricciones para la optimización con software de FEA (FEMAP)

Molde preparado con la forma óptima modelado por deposición fundida

Ejemplos de implementación

Definición del modelo inicial (3-D CAD), material y análisis estruct. (FEA)

Definición del proceso de manufactura, confirmación del material y formulación del problema de optimización (objetivo, restric., dominio)

Optimización de la forma del producto minimizando el peso (función objetivo) manteniendo las tensiones en su valor original (función restricción)

En función de los resultados y la tecnología de manufactura seleccionada, generación del modelo y prototipo de la cincha (estimación manual)

Diferentes fases involucradas en el proceso de optimización

Ejemplos de implementación

Prototipado rápido (PR) del nuevo producto

Preparación de los moldes de fundición a partir de los patrones de PR

Prueba y verificación de las características del nuevo producto

Diferentes fases involucradas en el proceso de optimización

Ejemplos de implementación

Diseño inicialÁreas funcionales excluidas del proceso de optimización

Superficie optimizable

28%

Ejemplos de implementación

Diseño inicial Diseño óptimo

Ejemplos de implementación

Prototipado rápido para la optimización del diseño de una cincha

Ejemplos de implementación

Diferencias entre el producto optimizado respecto al original:

Masa de la cincha reducida en un 20%

Significativa mejora en distribución de la tensiones con máxima tensión 3,5 veces menor al valor inicial

Ejemplos de implementación

SCHRECK, MICHAEL. "Structural Optimization of Components for High-Performance Engines." Master's thesis in Applied Mechanics. Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden (2014)

Optimización estructural de soporte de montaje del motor

Ejemplos de implementación

Ejemplos de implementación

100 % masa original 90 % masa original

80 % masa original 70 % masa original

Ejemplos de implementación

80 % masa original Versión CAD (77%)

Variante Masa relativa Cxyz [mJ]

Diseño existente 100% 29.40

Diseño opt. M100 100% 20.80

Diseño opt. M90 90% 23.38

Diseño opt. M80 80% 25.93

Diseño opt. M70 70% 30.14

Diseño suave M80 77% 25.45

Ejemplos de implementación

Maximización frecuencia de resonancia

Maressa, Antonio, Bert Pluymers, Stijn Donders, and Wim Desmet. "NVH optimization methodologies based on bead modification analysis in vehicle body design." In Proceedings of the international conference on noise and vibration engineering ISMA, pp. 4319-36. 2010.

Ejemplos de implementación

Deshmukh and Singh. "Frequency Optimization of IP (Instrumental panel) &MFD Bracket Using OptiStruct." Altair Technology Conference, India (2013)

Maximización frecuencia de resonancia

Ejemplos de implementación

Espacio de optimización Proceso de optimización

Geometría optima Desempeño

Ejemplo tomado de Simulia Tosca Fluid software brochure, Dassault Systemes.

Concepto Fabricación Desempeño

Proceso de desarrollo del producto

PlanosConcepto Fabricación Desempeño

Proceso de desarrollo del producto

Concepto Planos DesempeñoCálculos Fabricación

Proceso de desarrollo del producto

Concepto Planos DesempeñoCálculos Fabricación

Optimización!Prototipado rápido

3D-Scan

Ingeniería inversa!

Proceso de desarrollo del producto

Que se necesita para optimizar el producto?

Proceso de desarrollo del producto

Códigos de calculo confiables y robustos

Algoritmos y métodos de optimización adecuados

Criterio

Evitar cajas negras y

soluciones enlatadas!!!

Proceso de desarrollo del producto

Geometría inicial

MalladoModificaciones

Cálculo

Geometría final

Códigos de cálculo versátiles y robustos

Desarrollado por Greg Turk y Marc Levoy en 1994 en la Universidad de Stanford.

Descripto por medio de 69,451 triángulos determinados a través del escaneo 3D de un conejo de terracota.

Stanford bunny

Bake (Conejo de Poisson) (FEA)

Break (Conejo de Von Mises) (FEA)

Shake (Conejo de Newton) (FEA)

Wake (Conejo de Von Karman) (CFD)

Códigos de cálculo versátiles y robustos

Bake problem (Hornear)

Break problem (Romper)

Break problem (Romper)

Break problem (Romper)

Shake problem (Sacudir)

Modo 1 Modo 2

Modo 3 Modo 4

Shake problem (Sacudir)

Shake problem (Sacudir)

¿Modos naturales?

Wake problem (Estela)

Wake problem (Estela)

OPT

3DScan

FEA

CAD

3DPrint

Desarrollo de producto

Recapitulando…

Muchas gracias por su atención

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