Najogólniej pojęta optymalizacja inżynierska obejmuje procesy prowadzone na różną skalę. W grę wchodzą m.in. usprawnienia systemów produkcji, działań logistycznych, a także udoskonalanie wyrobu metodą prototypowania i testów rzeczywistych. W tym artykule pojęcie optymalizacji inżynierskiej nieco zawężamy, przyjmując, że chodzi o ilościowe, numeryczne, zautomatyzowane polepszenie cechy części lub złożenia, przy dobrze określonych stanach eksploatacji i warunkach ograniczających. Przedstawimy je na przykładzie środowiska HyperWorks / OptiStruct (HW/OS).
Marek Augustyniak, Bartosz Zdunek
Aby prawidłowo wybrać i umiejętnie wykorzystać komputerowy program do tak zdefiniowanej optymalizacji inżynierskiej, należy przede wszystkim określić specyfikę projektu (koncepcja czy uszczegółowienie). Na etapie wstępnym liczy się odnalezienie przybliżonego, globalnego optimum. Wyznaczone wymiary lub dane materiałowe będą jeszcze podlegały drobnym zmianom, ale zasadnicza koncepcja konstrukcyjna jest już osiągnięta. Do projektowania wstępnego często stosuje się tzw. algorytmy heurystyczne (por. DOE, Monte Carlo), w których program generuje N bardzo różnorodnych prototypów, bada je, a następnie zakreśla orientacyjny obszar rozwiązań optymalnych. Alternatywą, przydatną zwłaszcza na etapie projektowania szczegółowego, jest poszukiwanie metodą „gradientową”. W tym przypadku punkt wyjścia stanowi konkretny prototyp, o którym wiadomo, że spełnia z grubsza postawione wymagania. Program dąży metodą małych kroków do osiągnięcia optimum absolutnego, poprzez subtelną redystrybucję masy, wprowadzenie wytłoczeń lub nieznaczne zmiany grubości blach.
Rys. 1
Klasyczne zagadnienie optymalizacyjne, niezależnie od wybranej algorytmiki, składa się z następujących elementów:
- model MES wraz z dowolną liczbą stanów obciążeń: wytrzymałościowych, wibracyjnych, cieplnych, a nawet akustycznych; pod pewnymi warunkami można także definiować zagadnienia nieliniowe
- zbiór zmiennych projektowych: materiałowych, topologicznych, kształtu, wymiaru
- funkcja celu, którą stanowi najczęściej minimalizacja masy lub redukcja podatności
- skalarne warunki ograniczające; zwykle chodzi o nieprzekraczanie naprężeń dopuszczalnych i zachowanie określonych ugięć czy zdefiniowanie granicznych częstotliwości drgań własnych
- uwarunkowania technologiczne; HW/OS potrafi wymusić powtarzalność przestrzenną znalezionego rozkładu masy, jak również uwzględnić rodzaj procesu wytwórczego
- opcje dodatkowe, np. maks. liczba iteracji czy stopień tzw. dyskretności konstrukcji docelowej w optymalizacji topologicznej
cały artykuł dostępny jest w wydaniu 6 (57) czerwiec 2012
