Нет хуже обоснования для проектного решения, чем: «Мы всегда так делали». Очень важно, чтобы инженеры критически относились к своим разработкам и не останавливались на достигнутом.

Технологии промышленной 3D-печати создали новые возможности для проектирования, которые должны стать стимулом для творческого переосмысления существующих проектных решений. И хотя аддитивное производство экономически и технически целесообразно только для отдельных задач и применений, почти на любой конструкции оно может показать потенциал для оптимизации существующих проектных решений.

Так, при помощи программного продукта Ansys Discovery Live мы продемонстрировали неиспользованный потенциал оптимизации монтажной плиты гидроаппарата (hydraulic manifold). Мы смогли не только значительно улучшить характеристики потока рабочей среды, но также существенно уменьшить вес самой плиты.

Задача и цели

Предыстория

Компания SMILE-FEM объединяет команду экспертов, которые увлечены компьютерным моделированием новых разрабатываемых конструкций с учётом реальных условий эксплуатации. Уже более 10 лет компания помогает клиентам и партнёрам раскрывать и использовать весь потенциал их проектов. SMILE-FEM специализируется на расчётах статической прочности, долговечности, динамических расчётах и расчётах на вибрационные нагрузки. С этой целью мы используем различные программные продукты от Ansys.

Одной из наших повседневных задач является непосредственное исследование проектов наших клиентов и партнёров. Нас интересуют не только критические зоны с небольшим коэффициентом запаса, но и недогруженные области с потенциалом для оптимизации. Новые производственные технологии, такие как 3D-печать, позволяют частично преодолеть существующие производственные ограничения, а также раскрыть и использовать весь потенциал изделий. В данной статье мы демонстрируем потенциал для улучшения конструкции, которая уже была оптимизирована традиционными методами.

Формулировка задачи

Совместно с нашими партнёрами мы решили исследовать гидравлическую плиту, изображённую на рисунке 1, на предмет возможной оптимизации. Преимуществом такого объекта является то, гидравлические плиты являются довольно распространённым элементом гидроаппаратов, но при этом они чаще всего разрабатываются для каждого конкретного изделия. А это означает, что они идеально подходят для индивидуализации и применения 3D-печати.

Рисунок 1 – Исходная геометрия гидравлической плиты до её оптимизации при помощи Ansys Discovery Live

Технические цели

Техническую задачу можно разделить на два направления. С одной стороны, необходимо оптимизировать плиту с точки зрения её функционального назначения (обеспечения потока между компонентами гидроаппарата). С другой стороны, нужно минимизировать вес и затраты на материал. Оба эти фактора играют большую роль. Для каждого конкретного применения какой-то фактор может быть в приоритете, но обычно для создания по-настоящему хорошего и успешного продукта нужно учитывать оба эти соображения.

Оптимизация по функциональному назначению основана на устранении технологических ограничений традиционных методов изготовления. В настоящее время каналы получают путём сверления или фрезеровки в массивном блоке, что непосредственно определяет их геометрию, изображённую на рисунке 2: возможны только прямые каналы постоянного сечения или каналы конической формы. Технологии аддитивного производства позволяют использовать круглые каналы, внутренние ответвления и полости. Все представленные здесь зоны для потенциального улучшения конструкции основаны именно на этом различии.

Рисунок 2 – Исходная геометрия каналов гидравлической плиты, красным подсвечены каналы для оптимизации, имеющие заглушки в торцах и множество нефункциональных смен направления потока

Оптимизация по функциональному назначению

Монтажные плиты применяются для перераспределения потока газа или жидкости и обеспечения связи между различными гидравлическими устройствами. В них устанавливаются различные редукторы давления, обратные клапаны, контроллеры и прочее оборудование. Целью оптимизации было, с одной стороны, снизить потери давления в каналах, что позволило бы использовать насосы меньшего размера и повысить энергоэффективность. Кроме того, снижение потерь позволит также снизить давление в системе, что благоприятно сказывается на прочностных и массовых характеристиках. Второй целью было уменьшение турбулентности в каналах, благодаря чему, в том числе, уменьшается уровень шума и сокращается время переключения.

Также на данном этапе оптимизации мы провели объединение каналов. Учитывая возможности технологии аддитивного производства, каналы, которые ранее выполнялись сверлением с двух и более направлений, можно объединить в один канал, исключив ряд заглушек. Таким образом, было уменьшено количество сборочных операций, площадь прокладок и, следовательно, число потенциальных причин для протечек.

Оптимизация массы

Проектирование облегчённых конструкций является одним из движущих факторов в аддитивном производстве и оптимизации деталей. Особенно это касается аэрокосмической и автомобильной промышленности, но снижение веса деталей актуально практически во всех отраслях. Благодаря облегчению конструкции можно снизить расход топлива и увеличить полезную нагрузку. Ещё одним важным преимуществом аддитивных технологий является упрощение сборочного процесса за счёт объединения деталей уже на этапе производства. При этом уменьшаются трудозатраты, экономится энергия и рациональнее используется исходный материал.

Кроме того, в данном примере мы задались целью более эффективно использовать ограниченное пространство плиты и уменьшить размер изделия.

Финансовые цели

Основной мотивацией для внедрения аддитивных технологий с финансовой точки зрения является обеспечение эффективной работы с небольшими партиями, когда основное производство рассчитано на крупные серии. Таким образом, можно увеличить эффективность использования станков, а также упростить складские системы, поскольку детали можно легко изготавливать по мере возникновения необходимости.

Дополнительной финансовой выгоды можно достичь от упрощения и сокращения сборочного процесса за счёт объединения нескольких элементов в одну деталь.

Методология и программные средства

Основой для оптимизации послужила геометрическая CAD-модель исходного проекта. Были удалены некоторые вспомогательные каналы (такие как глухие концы), а основные соединительные каналы изменены для обеспечения максимальной эффективности и минимальной длины. Новая геометрия каналов была создана при помощи возможностей прямого геометрического моделирования (direct modeling) программного продукта SpaceClaim. Полученная геометрия показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Оптимизированные каналы монтажной плиты гидроаппарата. Красным подсвечен один из изменённых каналов с удалёнными глухими концами и без лишних смен направления

Затем с помощью программного продукта Discovery Live были исследованы характеристики потока рабочей среды в новой геометрии каналов. На основе этих расчётов была сразу же выполнена оптимизация каналов: в некоторых местах были дополнительно закруглены углы, что обеспечило более равномерный поток. Возможность визуализации результатов сразу после введения изменений в геометрию существенно упростила процесс оптимизации. Результаты решения задачи вычислительной гидрогазодинамики (CFD) показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Результаты CFD-расчётов в Discovery Live. Показаны результаты для исходной (слева) и оптимизированной (справа) геометрии каналов

Сопоставление исходной и оптимизированной с помощью Discovery Live формы каналов представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – Сравнение исходной (слева) и оптимизированной (справа) геометрии каналов

Для компьютерного моделирования потока в отдельных каналах было достаточно небольшой видеокарты. Но чтобы исследовать всю систему целиком и визуализировать взаимодействие всех каналов, понадобилась видеокарта NVIDIA Quadro RTX 8000 с 48 Гб видеопамяти.

На следующем этапе для детального анализа потоков оптимизированная геометрия была импортирована в программный продукт Ansys CFX, который позволяет точно рассчитать локальные зоны турбулентности и процессы срыва потока. Для расчёта в Ansys CFX использовалась модель гидравлического масла HLP 46 с числом Рейнольдса 391. На пограничном слое было задано сгущение со слоями призматических ячеек. Эти расчёты потока продемонстрировали эффективность улучшений конструкции, выполненных в Discovery Live. Хотя результаты CFD-моделирования в Discovery Live уступают в точности расчётам во флагманских продуктах, на создание модели и расчёт требуется значительно меньше времени, что увеличивает эффективность анализа различных вариантов конструкции.

После завершения работы с геометрией каналов была выполнена топологическая оптимизация конструкции. Помимо того, что Discovery Live позволил быстро и эффективно вносить различные изменения в геометрию каналов, благодаря топологической оптимизации полученная геометрия непосредственно определила внешний вид финального изделия.

Результат топологической оптимизации в виде полигонального (фасетированного) тела был импортирован обратно в SpaceClaim для проведения финишных операций. Количество треугольников было уменьшено с 1,3 миллиона до 400 тысяч. Поверхность была сглажена, а также были прорисованы стыковочные поверхности фланцев и посадочных отверстий. После этого конструкцию можно отправлять на 3D-печать. Прежде чем наши партнёры изготовили получившуюся плиту в натуральную величину, мы напечатали её в пластике на нашем собственном принтере. Финальный вид конструкций показан на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Плита гидравлического аппарата после проведения топологической оптимизации

Рисунок 7 – Плита гидравлического аппарата после проведения топологической оптимизации, подсвечена геометрия некоторых каналов

Результаты

Благодаря использованию Discovery Live и системному подходу, нам удалось расположить каналы таким образом, что высота получившейся плиты гидроаппарата уменьшилась на 28%. Это позволило сделать установку более компактной, а также увеличить полезный объём для размещения агрегатов.

Нам удалось сократить потери давления в каналах: например, для канала, показанного на рисунках 2–4, потери давления были снижены на 55%, что позволило не только использовать насосы меньшего размера, но и более точно регулировать необходимое снижение гидравлического давления. Снижение потерь обеспечивается в основном за счёт скругления острых углов (45%), что было подтверждено детальным CFD-расчётом, результаты которого представлены на рисунках 8 и 9.

Рисунок 8 – Результаты расчёта потока в исходной конструкции в Ansys CFX

Рисунок 9 – Результаты расчёта потока в оптимизированной конструкции в Ansys CFX

На этих рисунках также видно возникновение турбулентности в глухих концах каналов, остающихся после сверления. А острый угол на стыке каналов приводит к сильному срыву потока. Эти особенности течения иллюстрируют огромный потенциал для улучшения потока в традиционных плитах гидроаппаратов. Помимо уменьшения потери давления, ещё одним преимуществом оптимизированной геометрии конструкции является сокращение времени переключения. В оптимизированных каналах поток стабилизируется быстрее, чем в исходной конструкции. И, наконец, за счёт уменьшения турбулентности в новой конструкции будет ниже уровень шума.

Геометрическая модель плиты была разработана с использованием топологической оптимизации с ограничением на минимально возможную толщину стенки. Это гарантировало обеспечение прочности при рабочем давлении. При этом вес плиты гидравлического аппарата был уменьшен на 76,8%. Распределение напряжений под рабочей нагрузкой показано на рисунке 10.

Рисунок 10 – Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в оптимизированной конструкции плиты гидроаппарата под действием давления в каналах

Выводы

Представленный в этой статье пример оптимизации конструкции продемонстрировал успешную работу программных продуктов Ansys как по-отдельности, так и в связке. Использование Discovery Live позволяет производить приближённые расчёты потоков в каналах уже во время создания новой геометрии. В последующем полученные результаты были детально проверены при помощи Ansys CFX, что улучшило понимание особенностей потоков в изделии.

После завершения работы над новой геометрией каналов, при помощи Discovery Live мы создали топологически оптимизированную конструкцию плиты. Скорость расчётов в Discovery Live обеспечивает эффективное сравнение различных вариантов конструкции.

Затем модель была подвергнута финишной обработке в SpaceClaim, и в Ansys Workbench был выполнен проверочный прочностной расчёт.

Такие результаты, как снижение веса на 76,6%, уменьшение общей высоты на 28%, объединение нескольких элементов и снижение потери давления на 55%, продемонстрировали огромный потенциал оптимизации. Причём этот потенциал был обнаружен для детали, которая за последние годы была не раз оптимизирована в рамках ограничений традиционных методов проектирования и изготовления. Таких потрясающих результатов можно достичь только при помощи передовых технологий аддитивного производства, а также современных инструментов компьютерного моделирования, и, безусловно, грамотного инженерного подхода. Проделанная работа показывает, что во многих традиционных изделиях и деталях можно найти огромный неиспользованный потенциал для улучшения.

Надеемся, что данная статья послужит стимулом для того, чтобы пересмотреть ваши нынешние методы производства, а также сами конструкции, и осознать, что в них может быть заложен значительный скрытый потенциал. Аддитивные технологии стоит применять далеко не для всех изделий. Однако критически относиться к существующим технологиям производства и стараться их улучшить стоит всегда.

Источник: engineering-blog.com