Лабораторная работа № 7 оптимизация конструкции консольного кронштейна

Введение:

Оптимизационный анализ применяется для полученя оптимальной конструкции, удовлетворяющей заданым условиям. Фундаментальные компоненты исследования оптимизационного анализа: целевая функция, проектные параметры и ограничения. Обычно целевая функция определяет цель процесса оптимизации. Можно оптимизировать (минимизировать или максимизировать) массу, объем, собственную частоту и другие параметры. Переменные проекта являются изменяющимися размерами модели, которую мы будем оптимизировать. Ограничения определяются условиями, которым должна удовлетворять данная конструкция.

В данной работе мы определим оптимальную конструкцию нагруженного консольного кронштейна с учетом минимизации его объема. Работа начнется с проведения статического анализа, после чего мы создадим оптимизационное исследование, чтобы определить оптимальную конструкцию детали.

Краткое описание задачи:

Деталь подвергнута нагрузке и ограничениям, как показано на рис. 25, давление составляет 5 МПа. Мы ищем оптимальную конструкцию с целью минимизации объема. Результирующее напряжение не должно превысить 300 МПа. Переменные (DV1, DV2, DV3) должны быть ограничены в некоторых пределах.

Р ис. 25. Внешний вид исследуемой детали

Целевая функция:

Минимизирует объем консольного кронштейна с учетом установленной нагрузки и ограничений.

Переменные должны соответствовать следующим условиям:

10мм < DV1 < 25мм;

10мм < DV2 < 25мм;

10мм < DV3 < 50мм.

Результирующее напряжение не должно превысить 300 МПа с точностью 5%.

Порядок работы:

1. Откройте в SolidWorks файл предварительно созданной твердотельной детали. Для этого с помощью команды открыть через стандартный диалог открытия файла выберете требуемую модель (рис.26).

Р ис. 26. Внешний вид анализируемой детали

2. Создайте исследование статического типа.

3. Задайте в качестве материала детали легированную сталь.

4. Задайте ограничения для детали. Для указанной поверхности выберете ограничение «Зафиксировано» (рис. 27).

Р ис. 27. Ограничения модели

Приложите давление, равное 5 МПа к верхней поверхности консольного кронштейна (рис. 28).

Р ис. 28. Деталь с указанием нагрузок и ограничений

5. Разбейте модель на конечные элементы. Результат разбиения показан на рис. 29.

Р ис. 29. Разбиение модели на конечные элементы

6. Запустите выполнение анализа. По его завершению оцените диаграмму напряжений (пункт «Усилие сжатия») на различных поверхностях модели (рис. 30).

Рис. 30. Диаграмма напряжений

Сравните полученные результаты с параметрами материала детали. Сделайте выводы о работоспособности детали при расчитанных напряжениях.

Откройте диаграмму «Проверка проектирования» (рис.31).

Рис. 31. Диаграмма «Проверка проектирования»

Проанализировав диаграмму можно сделать выводы, что минимальный коэффициент запаса прочности детали равен 5, что дает нам возможность его уменьшения с целью оптимизации детали, направленной на снижение ее массогабаритных характеристик.

7. Создайте второе исследование. В качестве типа исследования выберет оптимизацию.

8. С помощью пункта меню «Добавить» (рис. 32) задайте целевую функцию.

Р ис. 32. Добавление целевой функции

В качестве цели укажите минимизацию объема детали.

9. Аналогично пункту 8 добавьте расчетные параметры. В открывшемся меню (рис.33) настроем параметры изменения размера, предварительно выбрав изменяемый размер детали с помощью мыши.

Р ис. 33. Настройка расчетных параметров

Аналогично задайте остальные изменяемые размеры

10. Задайте ограничения (аналогично пункту 8), введенные настройки согласно условию лабораторной работы показаны на рис.34.

Р ис. 34. Задание ограничений

11. Запустите выполнение оптимизационного расчета, по его завершению проанализируйте полученные результаты. В папке «Результаты этапов проектирования» ознакомьтесь с окончательным проектным решением (рис.35).

Р ис. 35. Окончательное проектное решение

Из контекстного меню данной папки можно выбрать просмотр любого из промежуточных вариантов оптимизационного анализа (рис. 36).

Р ис. 36. Настройка просмотра

результатов проектирования

В папке «График этапов проектирования» можно посмотреть графики, отражающие изменения размеров детали на каждой итерации оптимизационного анализа (рис. 37).

Р ис. 37. Изменение размеров оптимизируемой модели

Из контекстного меню папки можно вызвать диалог настройки параметров формируемого графика (рис. 38).

Р ис. 38. Настройка параметров графика

В папке «График локальной тенденции проектирования» отображаются графики, показывающие взаимосвязь между изменяемыми параметрами и целевой функцией (рис. 39).

Р ис. 39. График зависимости значения целевой

функции от входных параметров

Из контекстного меню папки по аналогии с другими папками настраиваются параметры отображаемых графиков

Откройте диаграмму напряжений из упражнения 1 (рис. 40). Вы увидите, что диаграмма изменилась согласно финальному варианту изделия. Анализ результатов показывает, что напряжения действительно не превосходят 300 МПа

Рис. 40. Диаграмма напряжений

Проверка результатов проектирования (из статического анализа первого упражнения) показывает, что минимальное значение коэффициента запаса прочности равно 2.3, что свидетельствует о значительном запасе прочности для готового изделия.

Сравните результаты, полученные после оптимизации, с результатами анализа первоначальной конструкции. Сделайте соответствующие выводы.

Р ис.41. Диаграмма «Проверка проектирования»

Отчет по лабораторной работе должен быть выполнен в электронном виде и содержать:

• изображение рассчитываемой детали;

• условия ее работы;

• характеристики применяемых материалов;

• обоснованные схемы нагружения и граничных условий;

• изображение конечноэлементной модели;

• результаты расчета напряжений и перемещений;

• результаты оптимизации модели;

• анализ работоспособности модели и предложения по изменению ее конструкции с учетом коэффициента запаса прочности и жесткостных характеристик.

В качестве отчета по лабораторной работе запрещается использовать отчет, сформированный COSMOSWorks.