Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Denis LEP
TOPOLOŠKA OPTIMIZACIJA PREMNIKA
OSEBNEGA VOZILA
Diplomsko delo
Visokošolskega strokovnega študijskega programa Strojništvo
Maribor, maj 2010
TOPOLOŠKA OPTIMIZACIJA PREMNIKA
OSEBNEGA VOZILA
Diplomsko delo
Študent: Denis LEP
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program Strojništvo
Smer: Konstrukterstvo in gradnja strojev
Mentor: doc. dr. Janez KRAMBERGER
Maribor, maj 2010
-II-
-III-
I Z J A V A Podpisani Denis LEP izjavljam, da:
• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom doc. dr.
Janeza KRAMBERGERJA;
• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, 13. 05. 2010 Podpis: ___________________________
-IV-
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Janezu
KRAMBERGERJU za pomo� in vodenje pri
opravljanju diplomskega dela.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogo�ili
študij.
-V-
TOPOLOŠKA OPTIMIZACIJA PREMNIKA OSEBNEGA VOZILA
Klju�ne besede: numeri�na analiza, optimizacija, metoda kon�nih elementov, premnik
UDK: 629.3.023.4:519.61/ .68(043.2)
POVZETEK
V diplomskem delu je predstavljena in opisana optimizacija avtomobilskega premnika od
za�etnega modela do optimiziranega kon�nega modela s pomo�jo numeri�nih metod.
Prikazan je postopek priprave numeri�nega modela od izdelave mreže kon�nih elementov,
definiranja robnih pogojev in obremenitev ter do prikaza in analize rezultatov pridobljenih
pri numeri�ni analizi. Narejena je tudi primerjava med za�etnim in optimiranim modelom.
-VI-
TOPOLOGICAL OPTIMIZATION OF STEERING KNUCKLE
Keywords: numerical analysis, optimization, finite element method, knuckle
UDK: 629.3.023.4:519.61/ .68(043.2)
SUMMARY
A diploma shows an introduction and description of the knuckle optimization from the initial
to the optimised final model with the help of numerical methods. Preparation of the numerical
model, from the creation of the final elements network, the definitions of boundary conditions
and stresses, and to display and analysis of results obtained from the numerical analysis has
been shown. The comparison between the initial and optimized model is also added.
-VII-
KAZALO VSEBINE 1 UVOD ........................................................................................................................... - 1 -
1.1 Predstavitev problema ........................................................................................... - 3 -
1.2 Struktura diplomskega dela................................................................................... - 4 -
2 ZAHTEVNIK KONSTRUKCIJE PREMNIKA ...................................................... - 5 -
2.1 Materialni podatki za prera�un.............................................................................. - 5 -
2.2 Maksimalni pomiki kinemati�nih to�k.................................................................. - 6 -
2.3 Smer odpiranja orodja pri litju .............................................................................. - 7 -
3 METODE REŠEVANJA ............................................................................................ - 8 -
3.1 Metoda kon�nih elementov (MKE)....................................................................... - 8 -
3.2 Programski paket ABAQUS CAE 6.8-1 ............................................................. - 10 -
3.3 Programski paket TOSCA Structure 6.2.1 .......................................................... - 13 -
4 NUMERI�NI PRERA�UN PREMNIKA .............................................................. - 15 -
4.1 Priprava CAD modela ......................................................................................... - 15 -
4.2 Mreženje modela ................................................................................................. - 16 -
4.3 Robni pogoji in obremenitve............................................................................... - 17 -
4.4 Linearni prera�un ................................................................................................ - 20 -
4.4.1 Togost.......................................................................................................... - 20 -
4.5 Nelinearni prera�un ............................................................................................. - 24 -
4.5.1 Stati�na obremenitev na ro�ici 1 ................................................................. - 24 -
4.5.2 Porušitvena obremenitev na ro�ici 1 ........................................................... - 26 -
5 OPTIMIZACIJA PREMNIKA................................................................................ - 28 -
6 PRIKAZ IN ANALIZA REZULTATOV ............................................................... - 30 -
6.1 Rezultati za�etnega modela................................................................................. - 30 -
6.2 Rezultati optimiranega modela............................................................................ - 31 -
6.3 Primerjava rezultatov .......................................................................................... - 32 -
7 OPTIMIRANI MODEL ........................................................................................... - 33 -
7.1 Numeri�ni prera�un optimiranega modela.......................................................... - 34 -
7.1.1 Togost.......................................................................................................... - 35 -
7.1.2 Stati�na obremenitev na ro�ici 1 ................................................................. - 38 -
7.1.3 Porušitvena obremenitev na ro�ici 1 ........................................................... - 39 -
7.2 Primerjava za�etnega in optimiranega modela.................................................... - 41 -
-VIII-
8 SKLEP........................................................................................................................ - 42 -
SEZNAM UPORABLJENIH VIROV............................................................................. - 43 -
ŽIVLJENJEPIS................................................................................................................. - 44 -
-IX-
UPORABLJENI SIMBOLI
< – manjše
S − togost ro�ice
F – obremenitev
Rm – natezna trdnost
Re – meja elasti�nosti
A – raztezek
E – modul elasti�nosti
� – Poissonovo število
� – gostota
UPORABLJENE KRATICE
MKE – Metoda kon�nih elementov
FEA – Finite element analysis
EN – European standard
C3D4 – Štiri vozliš�ni linearni tetraeder
nem. – Nemška beseda
ang. – Angleška beseda
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
Potreba po prevoznem sredstvu, ki bi bilo zanesljivo in neodvisno od vremenskih razmer,
je pred ve� kot 100 leti nemškega inženirja Karla Benza pripeljala do iznajdbe trikolesnika,
prvega vozila z motorjem na notranje izgorevanje. S tveganjem, pogumom in inovativnostjo
je takrat zarisal novo dimenzijo in gonilo �loveškega razvoja. Številni inovatorji, med njimi
tudi Slovenec Janez Puh, so mu sledili in danes smo na stopnji razvoja avtomobilske
industrije, ki bi si ga za�etniki težko predstavljali.
Ve� kot 100 let po Benzovem trikolesniku, je avtomobilska industrija ena najmo�nejših
proizvodnih in tudi logisti�nih panog. Nase veže materialne, znanstvene, razvojne, energetske
in �loveške resurse. Proizvajalci skupaj z dobavitelji in logisti predstavljajo pomemben delež
v bruto doma�em proizvodu najrazvitejših svetovnih gospodarstev. Prevladujo�i trend, ki je
zaznamoval avtomobilsko industrijo zadnjih 30 let, so mednarodne združitve. Število
proizvajalcev se je zmanjšalo za ve� kot polovico, sedanji tržni položaj in konkurenca pa
napovedujeta, da se bo ta trend nadaljeval in dolgoro�no vodil v dodatno zmanjševanje števila
proizvajalcev na nekaj klju�nih, ki bodo obvladovali celoten svetovni trg.
Z združevanjem se zmanjšuje tudi število proizvajalcev delov za avtomobilsko
industrijo. �e ho�eš ostati konkuren�en, moraš ponuditi nekaj ve� kot tvoja konkurenca. V
današnjem svetu, kjer so najrazli�nejši obdelovalni stroji prosto dostopni, zna vsak izdelovati
dolo�en izdelek. Tisto, kar lo�i boljše od dobrih, je znanje in razvoj, in tega se zavedajo tudi
proizvajalci avtomobilov. Od proizvajalcev delov se vedno bolj zahteva, da izdelek razvijejo,
izdelajo in dobavijo, s tem pa prevzamejo tudi vso odgovornost.
V podjetju Cimos d.d., ki je najve�ja slovenska družba na podro�ju avtomobilske
industrije, kmetijske mehanizacije, industrijske in energetske opreme ter strojegradnje, sem
opravljal strokovno prakso v raziskovalnem timu. Za Cimos pomeni sodelovanje v razvoju
komponent možnost, da poda svojo presojo in izboljšave pri razvoju komponent ter hkrati
izboljša funkcionalnost, poenostavi izdelavo in zmanjša ceno.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
Optimizacija, ki je opisana v diplomski nalogi je del povpraševanja po novem izdelku,
ki ga izvaja podjetje Cimos. Vsi podatki za izra�un in analize so bili dolo�eni s strani
proizvajalca avtomobilov BMW, ki je poslal povpraševanje po novem izdelku, in je tudi
morebitni kupec kon�nega izdelka.
V diplomski nalogi je opisan premnik, njegove ro�ice in osnove numeri�nega prera�una
s kon�nimi elementi. Najprej so podani osnovni podatki materiala, ki so dolo�eni v zvezku
zahtev, velikost mreže, potrebne stati�ne sile za numeri�ni prera�un in kinemati�ne to�ke. Z
vsemi podanimi podatki smo najprej izvedli osnovni numeri�ni trdnostni prera�un, nato pa še
optimizacijo, ki nam je nakazala smernice za kon�ni model oz. izdelek. Sledi analiza
rezultatov, kjer smo naredili primerjavo med za�etnim in optimiranim modelom.
K diplomski nalogi nisem priložil prilog, pridobljenih od naro�nika, saj se spoštuje
stroga zaupnost dolo�enih podatkov v podjetju.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
1.1 Predstavitev problema
Diplomska naloga je nastala v podjetju CIMOS d.d., kot povzetek mojega tamkajšnjega
opravljanja šestmese�ne strokovne prakse. Opisan je le del celotnega razvoja premnika, in
sicer numeri�na analiza oz. optimizacija, ki jo zahteva morebitni kon�ni kupec in ponudnik
povpraševanja, v našem primeru podjetje BMW. Njihov premnik je bil razvit v sklopu
prejšnje generacije R60 MINI Colorado in ima v podjetju Cimos kodno oznako R60,
generacija 1.
Slika 1.1: Predlog modela od naro�nika
Naro�nik je s povpraševanjem poslal 3D element, kjer lahko vidimo le kon�ni model, ne
pa tudi njegove zgodovine, saj zelo težko pridobiš njihov model z zgodovino. Da smo sploh
lahko pristopili k našemu problemu, smo morali najprej zmodelirati nov model s celotno
zgodovino, šele nato smo lahko za�eli z optimiranjem glede na zahteve kupca.
Naro�nik nam je poslal svojo listo zahtev (nem. Lastenheft), kjer so bile to�no dolo�ene
obremenitve, ki delujejo na dolo�eno ro�ico. V našem primeru smo bili precej omejeni glede
prostora, zato nismo imeli veliko manevrskega prostora pri obliki.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
1.2 Struktura diplomskega dela
V drugem poglavju je podrobno opisan zahtevnik konstrukcije premnika, materialni podatki
za prera�un, maksimalni dovoljeni pomiki kinemati�nih to�k ter smer obdelanih površin,
potrebnih za izdelavo livarskega orodja. V tretjem poglavju sledi kratek opis metode kon�nih
elementov ter programska paketa Abaqus in Tosca Structure. V �etrtem poglavju je opisana
izdelava ra�unalniškega modela za numeri�no analizo, priprava mreže in potrebnih robnih
pogojev oz. obremenitev. Temu sledita linearni in nelinearni prera�un, kjer je prikazan
trdnostno prera�unan model. V petem poglavju je prikazana optimizacija premnika v
programskem paketu Tosca. V šestem in sedmem poglavju so prikazani trdnostni rezultati ter
primerjava za�etnega in optimiranega modela. Rezultati so prikazani za samo eno ro�ico,
ro�ico 1. V zadnjem poglavju je podan sklep diplomskega dela.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
2 ZAHTEVNIK KONSTRUKCIJE PREMNIKA
Premnik je vezni �len med kolesom in pestom kolesa. Pravzaprav je to nosilec kolesa, preko
katerega so pritrjene krmilne ro�ice in vilice kolesa. Poznamo razli�ne premnike, za sprednjo
in zadnjo premo, ki se razlikujejo po obliki. Premnike lo�imo tudi za dvokolesne pogone in
štirikolesne pogone.
V našem primeru smo optimirali premnik za sprednjo premo, za štirikolesni pogon.
Naro�nik nam je poslal svoje zahteve, ki so bile podane na listi zahtev:
• izdelati premnik, ki bo do 10% lažji od prejšnjega premnika,
• podane zahteve glede togosti ro�ic, ki jih premnik mora zadovoljevati,
• podani robni pogoji,
• dolo�ena velikost mreže,
• podani materialni podatki,
• podati predlog za sivo litino,
• podane so maksimalne obremenitve na ro�ico, kjer napetosti ne smejo prese�i meje
elasti�nosti.
2.1 Materialni podatki za prera�un
Za obravnavan premnik je bil dolo�en material GSJ 400-12, definiran po standardu EN 1563,
ki ima naslednje osnovne lastnosti:
Preglednica 2.1: Materialne lastnosti materiala GJS 400-12
Gostota – � 7250 kg/m3
Modul elasti�nosti – E 170000 N/mm2
Poissonovo št. – � 0,29
Natezna trdnost – Rm 400 MPa
Meja elasti�nosti – Re 250 MPa Raztezek – A 10 %
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
2.2 Maksimalni pomiki kinemati�nih to�k
Položaj ro�ic oz. kinemati�nih to�k je pomemben pri položaju, ki ga zaseda premnik, saj je
omejen na svoj prostor, ki ga ne smemo spreminjati. Položaji ro�ic so torej dolo�eni, imajo pa
tudi predpisano minimalno togost, ki jo naro�nik še dovoljuje.
V zahtevah so bile dolo�ene naslednje osnovne vrednosti:
Preglednica 2.2: Dovoljeni pomiki kinemati�nih to�k
Ro�ica
Smer
Max. pomik [mm]
Min. togost
[N/mm]
Ro�ica 1
-Z
0,076
> 13 000
Ro�ica 2
Y
0,045
> 22 000
Ro�ica 3
Y
0,0114
> 87 000
Zgornja preglednica 2.2 nam prikazuje vse tri ro�ice in njihove smeri, v katerih smo
obremenili vsako ro�ico posebej. S pomo�jo programa Abaqus smo dobili pomike, podane v
milimetrih, kasneje pa smo morali izra�unati še togost s pomo�jo ena�be 4.1, ki ni smela biti
manjša od zahtevane.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
2.3 Smer odpiranja orodja pri litju
Konstrukter je pomemben tako reko� pri vseh nalogah, ki se izvajajo v nadaljnji izdelavi
izdelka. Ker bomo premnik ulivali, moramo model tudi primerno pripraviti, da bo kasneje
možno narediti orodje za litje. Pomembno je, da izberemo pravo smer odpiranja orodja, ki je v
našem primeru v smeri Y, kot vidimo na sliki 2.1.
Slika 2.1: Smer odpiranja orodja pri litju
Smer Y
Smer Y
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
3 METODE REŠEVANJA
3.1 Metoda kon�nih elementov (MKE)
Metoda kon�nih elementov je bila razvita v petdesetih letih. Osnovne konceptne metode je
prvi objavil Argryris v letih 1954-55. Metoda je osnovana na uporabi matri�ne algebre ob
diskretizaciji konstrukcije na kon�ne elemente. Na za�etku njenega razvoja je njeno uporabo
omejevala relativno velika koli�ina potrebnih numeri�nih operacij. Z razvojem ra�unalniške
opreme pa je ta težava odpadla.
Metoda kon�nih elementov se je naprej razvila na podro�ju elastomehanike. Danes pa jo
sre�amo tudi pri reševanju problemov plastomehanike, dinamike, prenosa toplote in
termoelasti�nosti, na podro�jih fizike in numeri�ne matematike.
Mehaniko konstrukcij delimo na mehaniko linijskih konstrukcij (enodimenzionalni
elementi), ploskovnih konstrukcij (dvodimenzionalni elementi) in mehaniko teles
(tridimenzionalne konstrukcije). Metoda kon�nih elementov je splošna in enaka za vse tri tipe
konstrukcij, kar omogo�a kombiniranje zgoraj naštetih tipov konstrukcij pri postavljanju
problema z metodo kon�nih elementov.
Pri reševanju problemov z uporabo MKE konstrukcijo razdelimo na kon�ne elemente.
Za linijske konstrukcije so to nosilci ali deli nosilcev, za ploskovne trikotniki in pravokotniki
ter za konstrukcije v obliki teles tetraedri, heksaedri ali oktaedri. Vozliš�a kon�nih elementov
so povezana med seboj in tvorijo konstrukcijo. S pomo�jo ena�b elastomehanike poiš�emo
zveze med pomiki v vozliš�ih in v poljih elementov. Tako dobljeno ena�bo imenujemo
ena�ba kon�nega elementa, v katerih nastopajo kot neznanke pomiki v vozliš�ih.
Vse ena�be kon�nih elementov združimo v ena�bo konstrukcije, ki predstavlja sistem
linearnih ena�b. Ena�bo rešimo ob upoštevanju robnih pogojev in obremenitev. S pomo�jo
rešitev sistema ena�b (pomikov) izra�unamo specifi�ne deformacije in napetosti. Opisano
metodo imenujemo deformacijska metoda kon�nih elementov. V primeru, da so neznanke v
vozliš�ih sile, govorimo o metodi sil [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
Na splošno lahko potek celovite analize po metodi kon�nih elementov razdelimo na
naslednje korake:
• geometrijsko modeliranje problema,
• vnos materialnih lastnosti,
• izbira primernih kon�nih elementov in vnos fizikalnih lastnosti posameznih delov
strukture,
• vnos robnih pogojev vpetja (podpor) strukture,
• vnos robnih pogojev obremenitve strukture,
• mreženje (diskretizacija) strukture s kon�nimi elementi,
• preverjanje ustreznosti numeri�nega modela,
• analiza po metodi kon�nih elementov,
• prikaz in analiza rezultatov.
Potek numeri�ne analize se razdeli na tri sklope:
• priprava podatkov oz. izdelava numeri�nega modela (ang. Pre-processing),
• prera�un oz. analiza modela (ang. Analysis),
• predstavitev ter analiza rezultatov (ang. Post-processing) .
Omenjenim trem korakom so prirejena tudi programska orodja. Najpomembnejša so
programska orodja, ki so namenjena dejanskemu prera�unu numeri�nega modela. Najbolj
znani in razširjeni programi za analizo numeri�nih modelov po metodi kon�nih elementov so
MSC.NASTRAN, ANSYS in ABAQUS. Slednji je tudi uporabljen za reševanje te naloge.
Slika 3.1: Princip metode kon�nih elementov [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
3.2 Programski paket ABAQUS CAE 6.8-1
ABAQUS je bil prvotno le program za numeri�ne analize po MKE. Zaradi tega je še danes
mogo�e datoteke z opisom analize pripraviti kar v obi�ajnem programu za urejanje besedila.
Vendar pa takšno delo zahteva precej dobro poznavanje krmilnih ukazov in njihove sintakse.
Zato je na voljo programsko orodje ABAQUS CAE, ki omogo�a enostavno kreiranje in
upravljanje numeri�nih modelov.
Problemi, ki se lahko rešujejo z ABAQUS CAE:
• stati�ne analize (linearne, nelinearne),
• dinami�ne analize (linearne, nelinearne),
• analize prenosa toplote in termi�ne napetostne analize,
• analize mehanizmov,
• elektri�ne analize,
• zvo�ne analize itd.
ABAQUS CAE je razdeljen na posamezne module, v katerih na razli�ne na�ine
obravnavamo numeri�en model. Tako v posameznem modulu dolo�imo geometrijo,
materialne lastnosti ali izdelamo mrežo kon�nih elementov [4].
Modul Part, Sketch
To je osnovni modul, ki omogo�a kreiranje in spreminjanje posameznega dela geometrijskega
modela (poenostavitev geometrije).
Slika 3.2: Poenostavitev geometrije [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
Program daje tudi možnost direktnega vnosa 3D-geometrije iz CAD-sistemov preko
vmesnikov (IGES, STEP) oz. omogo�a direktno odpiranje datotek CAD-sistemov (Catia,
ProEngineer, Ideas) v modulu Part. V modulu Sketch je poleg standardnih vmesnikov možno
branje 2D-geometrije iz programa AutoCAD.
Modul Property
V tem modulu se definirajo vse lastnosti numeri�nega modela od materialnih (modul
elasti�nosti, gostota, toplotna prevodnost, itn.), do fizikalnih lastnosti modela.
Modul Assembly
Pri dolo�anju geometrijskih modelov je vsako geometrijsko telo postavljeno v prostor
neodvisno od drugega telesa. V tem modulu se lahko neodvisna geometrijska telesa oblikujejo
v sestavo, kjer so med seboj povezana v globalnem koordinatnem sistemu.
Modul Step
Ta modul se uporablja za definicijo koraka analize in želenih rezultatov. Zaporedje korakov
omogo�a u�inkovito simulacijo realnega procesa in opazovanje rezultatov ob spremembi
numeri�nega modela (npr. ob spremembi obremenitev in podpor).
Modul Interaction
V tem modulu se definira posebno mehansko in toplotno interakcijo med posameznimi
regijami modela ali interakcijo med modelom in okolico. Najboljši primer je kontakt med
dvema površinama modela.
Modul Load
Ta modul je namenjen dolo�itvi obremenitev, robnih pogojev in za�etnih vrednosti modela.
Robni pogoji so definirani v koordinatnih oseh in so odvisni od koordinatnega sistema.
Modul Mesh
Ta modul omogo�a generiranje in spreminjanje mreže kon�nih elementov (strukturirana,
nestrukturirana). Izbira tipa kon�nega elementa je v veliki meri odvisna od geometrije
analizirane strukture [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
Modul Job
S tem modulom se pripravi naloga za analizo. V nalogo se vklju�i numeri�ni model, ki mora
vsebovati vse podatke za izvedbo analize.
Modul Visualization
Ta modul služi za prikazovanje rezultatov analize numeri�nega modela. Rezultati analize so
shranjeni v datoteki s kon�nico .odb in so zapisani v obliki podatkovne zbirke.
S prehodom med posameznimi moduli se postopoma izdela celoten numeri�en model.
Prehodi med moduli so enostavni, saj lahko kadarkoli izberemo modul, v katerem želimo
delati, lahko pa se sistem takoj preklopi v dolo�en modul, ko se izbere funkcija modula. Ko je
proces izdelave numeri�nega modela kon�an, se zapiše v obliki besedilne datoteke, ki je
primerna za obdelavo z osnovnim programom za numeri�no analizo po MKE.
Po izvedeni numeri�ni analizi pa je s programom ABAQUS CAE mogo�e prikazovati,
izpisovati in analizirati rezultate analize. Rezultati se lahko prikazujejo v urejeni številski ali
grafi�ni obliki. V številski obliki se izpisujejo v informacijskem oknu. Rezultati v grafi�ni
obliki pa se prikazujejo v oknu grafi�nega vmesnika. Prikazovati je mogo�e stati�ne ali
animirane slike rezultatov za celoten model ali samo za izbrani prerez [4].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
3.3 Programski paket TOSCA Structure 6.2.1
Programski paket, s katerim je bila izvedena strukturna optimizacija, se imenuje TOSCA
Structure 6.2.1. Pomaga nam pri iskanju optimiziranih predlogov v zelo zgodnji razvojni fazi
izdelka in nam s tem zmanjša razvojne stroške in �as.
Sestavljen je iz treh delov, predprocesorja – (ang. Pre), optimizacije –
(ang. Optimization) in postprocesorja – (ang. Post).
TOSCA Pre
Vsak predprocesor FEA, ki je sposoben ustvariti rešitev kon�nih elementov, in ki jih podpira
TOSCA Structure, se lahko uporabi za pripravo podatkov za komponente, ki jih želimo
optimizirati. V pomo� uporabnikom je �arovnik, ki nam pomaga enostavno in hitro dolo�iti
optimizacijo.
TOSCA Optimization
TOSCA Structure ima vmesnike za vse najbolj uporabljene metode kon�nih elementov
(Abaqus, Ansys, MSC.Nastran, MSC.Marc, NX.Nastran, Permas). To omogo�a uporabnikom,
da si lahko v svojem poljubnem okolju pripravijo model in ga uvozijo v Tosco. Veliko rešitev
je potrebno rešiti s posebnimi zna�ilnostmi, ki so podprte z optimizacijo sistema, in ki
bistveno zmanjšujejo �as.
TOSCA Post
Predstavi nam kon�ni model, ki je ustrezen optimizaciji izdelka za vizualizacijo in
vrednotenje rezultatov optimizacije [3].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
Slika 3.3: Shema optimizacije s programom Tosca [3]
Kreiranje modela
Kreiranje optimizacije
TOSCA Structure.pre Urejevalnik
Predprocesor
Za�etek optimizacije
Rezultati optimizacije
TOSCA Structure.smooth TOSCA Structure.report TOSCA Structure.post TOSCA Structure.view
Konec optimizacije
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
4 NUMERI�NI PRERA�UN PREMNIKA V nadaljevanju je prikazana optimizacija samo prve ro�ice, na koncu pa so podani rezultati
vseh treh ro�ic.
Premnik smo morali najprej zmodelirati v modelirniku CATIA, da smo si lahko
pripravili model za nadaljnje analize. Po kon�anem modeliranju smo model v formatu .stp
odprli v programu Abaqus, kjer smo dolo�ili mrežo, robne pogoje ter obremenitve. Sledil je
linearni prera�un, kjer smo dolo�ili pomike vseh treh ro�ic, s pomo�jo katerih smo izra�unali
togost. Naro�nik je zahteval tudi izra�un plasti�ne deformacije pri osnovni stati�ni
obremenitvi, in še pri porušitveni obremenitvi.
4.1 Priprava CAD modela
Preden smo za�eli z numeri�nim prera�unom, smo morali najprej pripraviti 3D model, ki smo
ga zmodelirali v modelirniku CATIA V5 R19.
Osnovno referenco pri modeliranju je predstavljal naro�nikov model, s pomo�jo
katerega smo pridobili vse potrebne geometrijske dimenzije. Naro�nik nam je poslal tudi
kinemati�ne to�ke, ki dolo�ajo položaj ro�ic. Te to�ke so zelo pomembne, saj smo v njih
obremenili vsako ro�ico posebej.
Ko smo zmodelirali za�etni model, smo njegovo geometrijo prenesli v ABAQUS 6.8,
kjer smo lahko opravili numeri�ni prera�un. Pri tem je bilo pomembno, da smo prenesli tudi
kinemati�ne to�ke, saj bi jih morali v nasprotnem primeru v program vnesti ro�no.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
Na spodnji sliki je prikazan za�etni model, ki smo ga zmodelirali, in s katerim smo
za�eli numeri�ni prera�un in optimizacijo.
Slika 4.1: 3D model premnika
4.2 Mreženje modela
Pomemben del ra�unske geometrije je mreža, ki opiše površine in volumen ra�unskega
obmo�ja. Pri kreiranju modela smo morali najti primerno število elementov, s katerimi smo
nato mrežili naš model in ki bi dovolj dobro zadovoljil našo rešitev. Hkrati je bilo potrebno
dobro poznati fizikalni problem in obremenjena podro�ja v samem modelu, saj smo se na
podlagi tega odlo�ili za primerno zgostitev mreže. Ve�ja zgostitev mreže pomeni pove�an �as
prera�una, vendar je tudi natan�nost prera�una ve�ja v primerjavi z manjšo zgostitvijo mreže,
s krajšim ra�unskim �asom.
Za kreiranje mreže modela premnika je bil uporabljen programski paket ABAQUS 6.8.
Za geometrijo so bili podani parametri v zvezku zahtev, kjer je bila dolo�ena okvirna velikost
kon�nih elementov (tetraedrov), pri mreženju 4mm. Mrežo numeri�nega modela tvori 136547
linearnih tetraedri�nih elementov tipa C3D4 ter 30070 vozliš� (slika 4.2).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
Slika 4.2: Mrežen model premnika
4.3 Robni pogoji in obremenitve
V avtomobilski industriji je zelo pomembno, da so vsi deli �im lažji in lahko hkrati prenašajo
maksimalne obremenitve, ki delujejo na posamezen del. Kot je bilo povedano v uvodu, nam
je naro�nik podal svoje zahteve, ki jih mora premnik zadovoljevati.
Zahtevano je bilo, da najprej preverimo togost na vseh treh ro�icah, ki so prikazane na
naslednjih slikah, kjer obremenimo ro�ice s silo 1kN. Ko smo preverili togost, smo morali
opraviti še nelinearno analizo, kjer smo pove�ali sile (stati�na in porušitvena obremenitev) in
ra�unali vsako ro�ico posebej.
Preden smo obremenili naš model in mu dolo�ili robne pogoje, smo morali najprej
dolo�iti navidezne dele, ki so povezali kinemati�ne (referen�ne) to�ke z ro�icami (slika 4.3).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
Omejen pomik v smeri Y
Slika 4.3: Omejitve
Na sliki 4.4 smo obremenili ro�ico 1, s strani naro�nika predpisano obremenitvijo (stati�na
sila 50 kN, porušitvena sila 55 kN) v negativni smeri Z osi. Ro�ici 2 smo omejili pomik v
smeri Y, ro�ici 3 pa smo omejili radialni pomik v smereh X in Y. Model je bil togo vpet na
štirih luknjah.
Slika 4.4: Obremenitev na ro�ico 1
Obremenitev v smeri -Z
Omejen radialni pomik
Togo vpetje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
Slika 4.5: Obremenitev na ro�ico 2 Na sliki 4.5 je prikazana obremenitev ro�ice 2, s strani naro�nika predpisano obremenitvijo
(stati�na sila 26 kN, porušitvena sila 31 kN) v smeri Y osi. Ro�ici 1 in ro�ici 3 smo omejili
radialni pomik v smereh X in Y. Model je bil togo vpet na štirih luknjah.
Slika 4.6: Obremenitev na ro�ico 3
Togo vpetje
Omejen radialni pomik
Omejen radialni pomik
Obremenitev v smeri Y
Togo vpetje
Obremenitev v smeri Y
Omejen radialni pomik Omejen pomik v smeri Y
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
Na sliki 4.6 smo obremenili ro�ico 3, s strani naro�nika predpisano obremenitvijo (stati�na
sila 48 kN, porušitvena sila 53 kN) v smeri Y osi. Ro�ici 1 smo omejili radialni pomik v smeri
X in Y, ro�ici 2 pa smo omejili pomik v smeri Y. Model je bil togo vpet na štirih luknjah.
Ko smo dolo�ili vse robne pogoje in obremenitve, ki smo jih potrebovali za numeri�ni
prera�un, smo lahko zagnali analizo. Za linearni prera�un, za dolo�itev togosti posameznih
ro�ic smo uporabili silo 1 kN na vsako ro�ico, za nelinearni prera�un pa smo uporabili že prej
omenjene sile za stati�no in porušitveno obremenitev (slike 4.4 do 4.6).
4.4 Linearni prera�un
V linearnem prera�unu smo prera�unali togost ro�ic, kjer smo upoštevali samo elasti�ne
lastnosti materiala, ki so podane v preglednici 2.1.
4.4.1 Togost
V samem programu Abaqus togosti ne dobimo direktno, ampak nam program poda pomike v
dolo�eni smeri oz. v vseh smereh skupaj. Glede na dobljene pomike moramo izra�unati
togost, ki jo dobimo s pomo�jo ena�be:
pomikvobremenite
Togost = (4.1)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
Slika 4.7: Pomik na ro�ici 1 v mm
[ ]mmNUF
S /000440027,0
1000 ≈== (4.2)
S [N/mm] − togost ro�ice
F [N] – obremenitev
U [mm] – pomik
Minimalna zahtevana togost s strani naro�nika je 13 000 N/mm, kar pomeni, da je ro�ica 1
približno 3-krat predimenzionirana oz. je togost za 240% ve�ja, kot je potrebno. Glede na
rezultat smo sklepali, da je na tej ro�ici najve� prostora v masi in da je potrebno pri
popravljanju modela najve� pozornosti namenili prav ro�ici 1.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
Slika 4.8: Pomik na ro�ici 2 v mm
[ ]mmNUF
S /000510196,0
1000 ≈== (4.3)
S [N/mm] − togost ro�ice
F [N] – obremenitev
U [mm] – pomik
Minimalna zahtevana togost je 22 000 N/mm, kar pomeni, da je ro�ica 2 približno 1,3-krat
predimenzionirana oz. je togost za 130% ve�ja, kot je potrebno. Ugotovili smo, da ima ta
ro�ica dovolj prostora v masi, torej bomo lahko tudi na tej ro�ici spreminjali geometrijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
Slika 4.9: Pomik na ro�ici 3 v mm
[ ]mmNUF
S /0001380072,0
1000 ≈== (4.4)
S [N/mm] − togost ro�ice
F [N] – obremenitev
U [mm] – pomik
Minimalna zahtevana togost je 87 000 N/mm, kar pomeni, da je ro�ica 3 predimenzionirana
oz. je togost 58% ve�ja, kot je potrebno. Glede na rezultat smo ugotovili, da je ro�ica glede na
ostali dve ro�ici najmanj predimenzionirana.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
4.5 Nelinearni prera�un
V nelinearnem prera�unu smo morali namesto elasti�nosti materiala upoštevati plasti�nost
materiala, ki je potrebna pri materialno nelinearni analizi. Podali smo enostavno bi-linearno
krivuljo, ki sta jo dolo�ali samo dve to�ki, in sicer meja elasti�nosti in natezna trdnost
materiala. Preverili smo zaostalo napetost in plasti�no deformacijo.
Pri prera�unu moramo ra�unati vsako ro�ico posebej, ki ji dodamo korak razbremenitev,
saj bomo le s tem dobili potrebno plasti�no deformacijo.
4.5.1 Stati�na obremenitev na ro�ici 1
Slika 4.10: Napetosti po Von Misesu [MPa]
Ko smo dolo�ili mejo plasti�nosti smo postavili mejo, kjer se material po razbremenitvi
ne bo povrnil v prvotno lego. Na sliki 4.10 vidimo, da nam program to upošteva pri vrednosti
250 MPa.
Max. napetosti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
Slika 4.11: Skupni pomik ro�ice 1 pri stati�ni obremenitvi
Na sliki 4.11 vidimo, da smo v programu Abaqus omejili prikaz pomika na to�ki 0,1 mm. S
sivo barvo je obarvan tisti del ro�ice, ki presega to vrednost oz. je pomik ve�ji od 0,1mm.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
Slika 4.12: Plasti�na deformacija pri stati�ni obremenitvi
Na sliki 4.12 vidimo mesta, kjer je plasti�na deformacija najve�ja, vendar je še vedno pod
dovoljeno mejo.
4.5.2 Porušitvena obremenitev na ro�ici 1
Porušitvena obremenitev nastopi v primeru izrednih razmer, ki lahko nastopijo pri vožnji.
Tukaj gre predvsem za varnostno zagotovilo, da bo premnik vzdržal vsaj še to obremenitev.
Na naslednjih dveh slikah imamo prikazano plasti�no deformacijo in skupni pomik na
ro�ici 1, kjer smo ro�ico obremenili s porušitveno silo. Porušitvena obremenitev nam v bistvu
prikazuje maksimalno obremenitev, ki jo mora premnik še vzdržati.
Max. plasti�na deformacija
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
Slika 4.13: Plasti�na deformacija pri porušitveni obremenitvi
Plasti�na deformacija je pri porušitveni obremenitvi v zahtevanih mejah, pomiki pa so
preveliki.
Slika 4.14: Skupni pomik ro�ice 1 pri porušitveni obremenitvi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
5 OPTIMIZACIJA PREMNIKA
Metode topološke optimizacije omogo�ajo, da v zelo kratkem �asu poiš�emo optimalno
obliko izdelka glede na zahtevane obremenitve, še posebej za izdelke, izdelane s tehnologijo
litja. Ob tem se lahko upoštevajo tudi tehnološke omejitve, kot je na primer smer odpiranja
orodja in omejitve debeline stene. Vendar pa nas striktno upoštevanje debeline stene vodi do
numeri�nih modelov z zelo velikim številom prostostnih stopenj, saj je potrebno relativno
tanke stene mrežiti z velikim številom majhnih elementov. Posledica tega so izjemno dolgi
�asi prera�una oz. je v skrajnem primeru numeri�ni model nemogo�e prera�unati na obstoje�i
strojni opremi. Poiskati je potrebno metodo, ki bi ob �im manjšem številu elementov vodila
do enakih zaklju�kov kot podrobno mreženje po debelini stene, in dokazati ekvivalentnost in
zanesljivost tako dobljenih rezultatov.
Slika 5.1: Optimirani model - pogled 1
Program Tosca nam prikaže smernice za nadaljnjo optimizacijo, ki nam kot rezultat
prikaže oranžno-sivo kombiniran model, kjer je lepo razvidno, kje je program material odvzel
oz. dodal.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
Na spodnji sliki vidimo s sivo barvo obarvan del modela, ki nam prikazuje odvzet material.
Slika 5.2: Optimirani model - pogled 2
Pred prikazom rezultatov lahko izberemo možnost, koliko materiala bo program dodal
oz. odvzel. Izbiramo lahko med vrednostmi 0 in 1, kjer vrednost 1 pomeni, da program
odvzame ves material. Za vrednost 0 velja nasprotno, in sicer material ostane cel. V našem
primeru smo izbrali vrednost 0,3.
Glede na za�etno maso smo z optimizacijo zmanjšali maso za približno 7%, kar je še
vedno v obmo�ju zahtev.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
6 PRIKAZ IN ANALIZA REZULTATOV
V tem poglavju so prikazani numeri�ni rezultati, dobljeni s programskim paketom Abaqus.
V preglednici 6.1 in 6.5 so prikazani pomiki, ki smo jih dobili pri linearni analizi z
obremenitvijo 1 kN. V ostalih preglednicah so podani trije obremenitveni primeri za za�etni
in optimirani model, ki so sestavljeni iz dveh korakov, obremenjeni s stati�no obremenitvijo.
Korak 1 predstavlja obremenitev na posamezno ro�ico, korak 2 pa razbremenitev, kjer je
dovoljen maksimalni pomik 0,1 mm. Pomembno pri prvem koraku je, da je plasti�na
deformacija manjša od predpisane, pri drugem koraku pa je pomembno, da so pomiki v vseh
smereh manjši od dovoljenih.
6.1 Rezultati za�etnega modela
V preglednici 6.1 so prikazani izra�unani pomiki za�etnega modela, dobljeni po linearnem
prera�unu. Kot smo že zapisali v poglavju 4.4, je premnik zelo predimenzioniran, kar
razberemo iz primerjave med maksimalnimi in prera�unanimi pomiki.
Preglednica 6.1: Pomiki za�etnega modela
Ro�ica
Pomik [mm]
Togost [N/mm]
1
0,0227
44 000
2
0,0196
51 000
3
0,0072
138 000
Preglednica 6.2: Obremenitveni primer 1
Korak 1: Obremenitev Korak 2: Razbremenitev
Pomiki [mm] Obremenitveni
primer Plasti�na
deformacija
Dovoljena plasti�na
deformacija
Ro�ica
X Y Z
Dovoljeni max. pomik
[mm]
1 0,0063 < 0,1 1 0,013 0,072 0,164 < 0,1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
Preglednica 6.3: Obremenitveni primer 2
Korak 1: Obremenitev Korak 2: Razbremenitev
Pomiki [mm] Obremenitveni
primer Plasti�na
deformacija
Dovoljena plasti�na
deformacija
Ro�ica
X Y Z
Dovoljeni max. pomik
[mm]
2 0,0018 < 0,1 2 0,0004 0,003 0,001 < 0,1
Preglednica 6.4: Obremenitveni primer 3
Korak 1: Obremenitev Korak 2: Razbremenitev
Pomiki [mm] Obremenitveni
primer Plasti�na
deformacija
Dovoljena plasti�na
deformacija
Ro�ica
X Y Z
Dovoljeni max. pomik
[mm]
3 0,0085 < 0,1 3 0,044 0,347 0,234 < 0,1
6.2 Rezultati optimiranega modela V preglednici 6.5 so prikazani izra�unani pomiki za optimirani model, dobljeni po linearnem
prera�unu. Ugotovili smo, da smo se zelo približali maksimalnim pomikom oz. minimalni
togosti. V nadaljevanju so v poglavju 7.1 podane slike modela in izra�uni pomikov na vsaki
ro�ici.
Preglednica 6.5: Pomiki optimiziranega modela
Ro�ica
Pomik [mm]
Togost [N/mm]
1
0,0375
26 000
2
0,042
24 000
3
0,0093
107 000
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
Preglednica 6.6: Obremenitveni primer 1
Korak 1: Obremenitev Korak 2: Razbremenitev
Pomiki [mm] Obremenitveni
primer Plasti�na
deformacija
Dovoljena plasti�na
deformacija
Ro�ica
X Y Z
Dovoljeni max. pomik
[mm]
1 0,0054 < 0,1 1 0,0094 0,016 0,04 < 0,1
Preglednica 6.7: Obremenitveni primer 2
Korak 1: Obremenitev Korak 2: Razbremenitev
Pomiki [mm] Obremenitveni
primer Plasti�na
deformacija
Dovoljena plasti�na
deformacija
Ro�ica
X Y Z
Dovoljeni max. pomik
[mm]
2 0,0081 < 0,1 2 0,039 0,076 0,041 < 0,1
Preglednica 6.8: Obremenitveni primer 3
Korak 1: Obremenitev Korak 2: Razbremenitev
Pomiki [mm] Obremenitveni
primer Plasti�na
deformacija
Dovoljena plasti�na
deformacija
Ro�ica
X Y Z
Dovoljeni max. pomik
[mm]
3 0,0118 < 0,1 3 0,076 0,086 0,091 < 0,1
6.3 Primerjava rezultatov
Ugotovili smo, da smo uspešno optimirali naš premnik, kar je razvidno iz zgornjih preglednic.
V primerjavi togosti na obeh prera�unanih modelih smo opazili, da smo se pri
optimiranem modelu zelo približali optimalni rešitvi, saj smo ob�utno zmanjšali
predimenzioniranost za�etnega modela. Pri za�etnem modelu smo imeli v ro�ici 1 pomik
0,17 mm, kar smo v optimiranem modelu popravili tako, da smo prešli v dovoljeno obmo�je,
kjer je znašal skupni pomik 0,0583 mm. Enako velja za ostali ro�ici, kjer smo optimirali
pomika, da smo ju dobili pod mejo maksimalnega pomika 0,1 mm.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
7 OPTIMIRANI MODEL
Optimirani model smo zmodelirali po predlogu programa Tosca, ki nam je podal smernice za
kon�ni rezultat. Ko smo model dokon�ali, smo še enkrat prera�unali analizo v programu
Abaqus, da smo se prepri�ali, ali je v dovoljenih mejah (glej rezultate optimiranega modela).
Najve�jo spremembo smo lahko opazili v ro�icah 1 in 2, kjer smo odvzeli najve� materiala in
utore na zgornji strani.
Slika 7.1: Optimirani model - pogled 1
Optimirani model je imel maso 5,256 kg, kar je približno 10% manj kot za�etna masa
5,755 kg.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
Slika 7.2: Optimirani model - pogled 2
7.1 Numeri�ni prera�un optimiranega modela
Ko smo naredili optimirani model, smo se morali prepri�ati, da je model res v dovoljenih
mejah. Zato smo še enkrat opravili linearni in nelinearni prera�un, kjer smo preverili pomike
in plasti�no deformacijo pri stati�ni obremenitvi in tudi pri porušitveni obremenitvi.
Ker je postopek enak, kot je opisan v �etrtem poglavju, smo za izra�un togosti uporabili
enako ena�bo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
7.1.1 Togost
Slika 7.3: Pomik na ro�ici 1 v mm
[ ]mmNUF
S /000260375,0
1000 ≈== (7.1)
S [N/mm] − togost ro�ice
F [N] – obremenitev
U [mm] – pomik
Minimalna zahtevana togost je bila 13 000 N/mm, kar pomeni, da je ro�ica 1 približno 1-krat
predimenzionirana oz. je togost 100% ve�ja, kot je zahtevano. Ugotovili smo, da smo se po
optimiranju bolj približali predpisani meji in s tem zadovoljili zahtevam. Obstaja sicer še
boljša rešitev, vendar smo tudi z našo rešitvijo zadovoljni.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
Slika 7.4: Pomik na ro�ici 2 v mm
[ ]mmNUF
S /00024042,0
1000 ≈== (7.2)
S [N/mm] − togost ro�ice
F [N] – obremenitev
U [mm] – pomik
Minimalna zahtevana togost je bila 22 000 N/mm, kar pomeni, da je togost ro�ice 2 za 9%
ve�ja, kot je zahtevano. S tem smo seveda zadovoljili naše potrebe.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
Slika 7.5: Pomik na ro�ici 3 v mm
[ ]mmNUF
S /0001070093,0
1000 ≈== (7.3)
S [N/mm] − togost ro�ice
F [N] – obremenitev
U [mm] – pomik
Minimalna zahtevana togost je bila 87 000 N/mm, kar pomeni, da je togost ro�ice 3 za 23%
ve�ja, kot je zahtevano. Glede na rezultat smo ugotovili, da smo zadovoljili zahtevam.
Pomiki na vseh treh ro�icah ustrezajo zahtevam, saj je togost v predpisanih mejah. Še
najve� možnosti za nadaljnje optimiranje imamo na ro�ici 1, vendar lahko v nelinearni analizi
vidimo, da smo za malenkost znotraj meja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
7.1.2 Stati�na obremenitev na ro�ici 1
Slika 7.6: Napetosti po Von Misesu [MPa]
Na spodnji sliki vidimo, da je pomik na ro�ici 1 pod omejeno to�ko 0,1 mm.
Slika 7.7: Skupni pomik ro�ice 1 pri stati�ni obremenitvi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
Na sliki 7.8 je plasti�na deformacija ob�utno manjša od 10%, kar dokazuje, da smo prišli do
dobrega rezultata in da ni možnosti, da se premnik pri stati�ni obremenitvi zlomi.
Slika 7.8: Plasti�na deformacija pri stati�ni obrementvi
7.1.3 Porušitvena obremenitev na ro�ici 1
Tudi pri porušitveni obremenitvi vidimo, da so pomiki, napetosti in plasti�na deformacija pod
dovoljeno mejo, ki nam jo še dovoljuje naro�nik. Ugotovili smo tudi, da je premnik pravilno
skonstruiran, ro�ice pa še prenesejo porušitveno obremenitev.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
Slika 7.9: Plasti�na deformacija pri porušitveni obremenitvi
Slika 7.10: Skupni pomik ro�ice 1 pri porušitveni obremenitvi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
7.2 Primerjava za�etnega in optimiranega modela
Na sliki 7.11 je prikazana primerjava med za�etnim in optimiranim modelom. Za�etni model
je obarvan z rumeno barvo, optimirani model pa z modro. Razlika je v ro�ici 1 in ro�ici 2,
kjer smo zmanjšali maso, ob tem pa obdržali togost ro�ic v zahtevanih mejah.
Slika 7.11: Primerjava za�etnega in optimiranega modela
Optimirani model je približno za 10% lažji kot za�etni model, kar je razvidno iz prikaza
geometrije na sliki 7.11. Seveda pa prikazan optimirani model ni edina rešitev, saj je možno
tudi kako druga�e zagotoviti togost ro�ic (npr. z dodajanjem reber).
Ro�ica 2
Ro�ica 1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
8 SKLEP
Danes si razvoja konstrukcijskih komponent brez ustreznih programskih orodij, ki omogo�ajo
numeri�ne analize (trdnostne, frekven�ne, temperaturne, fluidne ipd.), ne moremo ve�
predstavljati. V podjetju Cimos uporabljamo programski paket Abaqus, saj brez njega ne bi
mogli opravljati dovolj kvalitetne numeri�ne analize, potrebne za razvoj komponent v
avtomobilski industriji.
V diplomskem delu je prikazana topološka optimizacija premnika osebnega vozila od
za�etnega modeliranja oz. ponovnega modeliranja (ang. re-design) do numeri�nega prera�una
in vrednotenja rezultatov. Najzahtevnejše je bilo seveda ponovno modeliranje modela, saj
smo zanj potrebovali precej �asa. Sama priprava modela za numeri�ni prera�un je potekala po
dolo�enem logi�nem vrstnem redu, ki je opisan v diplomski nalogi.
Diplomsko delo obsega dolo�itev robnih pogojev za posamezno obremenjeno ro�ico
premnika, mreženje modela s kon�nimi elementi, definiranje robnih pogojev vpetja in
obremenitev na vsako ro�ico posebej. Temu sledi optimizacija s programom Tosca, ki poda
predlog optimiranega modela. Na koncu sledi analiza podatkov in modela, ter njihova
primerjava.
Cilj diplomske naloge je bil prikaz topološke optimizacije, s katero sem hotel
predstaviti, kako naj bi konstrukter že od samega razvoja naprej mislil na naslednjo operacijo
v procesu. Potrebno je dobro poznati metodologijo dela, saj lahko le tako preidemo iz ene
operacije na drugo, kjer pa je predvsem potrebno znanje predvsem mehanike in uporabe
metode kon�nih elementov.
Brez metode kon�nih elementov ne bi uspeli priti do takšnih rezultatov, saj se ta metoda
izkaže za zelo prakti�no in hitro postane nepogrešljiv �len v konstruiranju, vendar pa lahko ob
neznanju programske opreme hitro pride do neto�nih rezultatov. Prednost numeri�ne metode
je v tem, da lahko dokaj enostavno spreminjamo geometrijsko obliko in s tem dosežemo
optimalno obliko glede na dolo�ene zahteve.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
SEZNAM UPORABLJENIH VIROV
[1] Catia V5 R19 documentation
[2] On line documentation Abaqus 6.8-1
[3] Tosca Structure 6.2.1 documentation
[4] REN, Zoran, ULBIN, Miran. MKE praktikum za ABAQUS: navodila za vaje.
Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2008. Dostopno na:
http://lace.uni-mb.si/Num_meth_konst/Praktikum/
[5] http://www.solid.lth.se/fileadmin/hallfasthetslara/utbildning/examensarbete/TFHF5137
.pdf [15.4.2010]
[6] http://roienwest.com/images/PDF_Files/Brochures/TOSCA/TOSCA_Structure_Bronc
hzre.pdf [24.4.2010]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
ŽIVLJENJEPIS
OSEBNI PODATKI Ime in priimek: Denis Lep Strokovni naziv: Strojni tehnik Rojen: 27.11.1987, Maribor Državljanstvo: Slovensko Naslov: Log 95, 2345 Bistrica ob Dravi
ŠOLANJE 1994-2002 Osnovna šola Rada Robi�a Limbuš.
2002-2006 Srednja strojna šola Maribor.
Pridobil naziv Strojni tehnik.
2006-2010 Univerza v Mariboru, Fakulteta za
strojništvo. Visokošolski študijski
program, smer: Konstrukterstvo in gradnja
strojev.
DELOVNE IZKUŠNJE Do danes: Opravljal razna študentska dela.