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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 [email protected]
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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