Lidská snaha o zdokonalování a zlepšování funkčnosti a efektivity předmětů v našem okolí je jedním z nejsilnějších faktorů ovlivňujících naší existenci. Určitě jste si položili otázku, jaké jsou rezervy vašeho výrobku nebo jak zdokonalit jeho funkčnost. Nyní s masívním nástupem softwarových prostředků, a následně i nezbytné výpočetní techniky, se nám otevírají nové možnosti řešení těchto technických problémů. Tento moderní přístup se nazývá „Virtuální prototyp". Výsledky těchto simulací se velice přibližují realitě a jsou schopny reflektovat složité fyzikální děje v přírodě. Díky rychlosti, se kterou jsou uvedené analýzy provedeny, je výsledkem nejen popis chování jedné varianty, ale možnost provést skutečnou optimalizaci zařízení.

Nástroje potřebné pro její praktickou realizaci nalezneme u společnosti ANSYS, Inc. (USA). ANSYS nám nabízí komplexní řešení technických problémů v oblasti proudění, pevnostních analýz a elektromagnetismu ve sjednoceném prostředí ANSYS Workbench. Toto prostředí je velice intuitivní a urychluje celý vývojový cyklus až po optimalizační proces.

Optimalizační metody programu ANSYS DesignXplorer

Na začátku každé optimalizace si musíme definovat, jaký parametr nebo parametry chceme zlepšovat. Tento parametr se nazývá „Cílová funkce", může to být například účinnost, výkon, průtok, reakce, rychlost, hmotnost, pevnost atd., nebo jejich kombinace, to záleží na našich potřebách. K dosažení extrému (max/min) cílové funkce ještě musíme definovat vhodné vstupní parametry, tzn. geometrické změny v předem zadaném rozsahu. Vstupní parametry můžou být např. délka, šířka, natočení nebo náklon.

Samotný proces optimalizace je řízen programem ANSYS DesignXplorer, který disponuje řadou optimalizační algoritmů pro nalezení globálního extrému, jako jsou:

• DOE (Design of Experiments)
• Goal-Driven Optimization
• Six Sigma
• Aproximace (Kriging)

V prostředí ANSYS Workbench se snadno definuje optimalizační smyčka, která může obsahovat celou řadu programů, od CAD nástrojů přes generátory sítě až po kombinaci úloh CFD a FEA. ANSYS DesignXplorer je schopen nalézt nejen globální extrémy, ale vyhodnotit i citlivost optimalizovaných parametrů na změnu cílové funkce a vše přehledně graficky znázornit.

Tyto metody jsou používány téměř ve všech odvětvích průmyslu. V následujících odstavcích ukážeme příklady optimalizace z oblasti návrhu parních turbín.

Optimalizace tvaru při proudění v prostředí Workbench - CFD

Vhodný příklad optimalizace turbínového stupně z hlediska proudění je náklon rozváděcí lopatky po výšce, s cílem dosáhnout co nejvyšší účinnosti stupně, při zachování stávajícího průtočného množství páry. To znamená, že cílová funkce je maximalizace účinnosti, které můžeme dosáhnout, např. snížením ztrát vzniklých zavířením v okrajových částech turbíny. Toto zavíření můžeme eliminovat právě 3D tvarováním turbínových lopatek. V našem případě je omezeno průtočné množství v zadaném rozsahu, dále můžeme omezovat například reakci stupně nebo ztrátu výstupní kinetickou energií. Jako optimalizační metoda je použita kombinace DOE a následná Aproximace. Optimalizační smyčkou proběhlo 150 tvarových modifikací, než bylo dosaženo „optimálního tvaru" s dodržením omezeného průtočného množství páry. Účinnost optimálního tvaru je téměř o jedno procento vyšší než u počáteční varianty. Na obrázku je vidět změna rozváděcí lopatky před a po optimalizaci a dále také potřebné informace o proudění.

Optimalizace v prostředí Workbench – Strukturální analýza

Příkladem optimalizace v rámci FE analýz může být nalezení optimálního přechodového poloměru R mezi jednotlivými zuby nožky parní lopatky a sklonu kontaktních ploch jednotlivých zubů s ohledem na výslednou únavovou pevnost. Vzhledem k tomu, že ověření naznačené metodiky na reálných lopatkách je poměrně časově a finančně náročné, provádí se validace výpočetních postupů na jednoduchých zkušebních vzorcích, čímž je zaručena jak dostatečná míra efektivity experimentálního zkoušení, tak i jednoznačnost získaných výsledků.

V rámci FE analýz byla modelována 1/4 jednoduchého zkušebního vzorku s jedním zubem. V modelu je uvažováno kontaktní působení mezi „nožkou lopatky" a „rotorem" (Augmented-Lagrange kontaktní algoritmus) se součinitelem tření a nelineární model materiálu s kinematickým zpevněním definovaným tzv. Chabochovým modelem plasticity s možností simulace ratchetingu. Poměrně vysoká hodnota součinitele tření vyžaduje uvažování nesymetrické matice tuhosti. Simulováno bylo 10 zátěžných cyklů v každé optimalizační smyčce. Hodnocení únavové životnosti bylo založeno na vyhodnocení uniaxiálního únavového kritéria v oblasti přechodového poloměru R. Parametrem optimalizace je jak poloměr zaoblení přechodové oblasti R, tak i sklon kontaktní plochy α. Cílem optimalizace je minimalizovat rozkmit napětí, resp. elastoplastických deformací v přechodové oblasti, resp. maximalizovat životnosti „nožky lopatky".

Optimalizací je v oblasti přechodového zaoblení sníženo maximální HMH napětí přibližně o 30 %. Výsledná životnost, definovaná dobou do iniciace únavové trhliny, odpovídající optimálnímu tvaru přechodové oblasti je přibližně 500 zátěžných cyklů, tedy simulovaných najetí a odstavení turbíny.

Závěr

Programy ANSYS nám poskytují unikátní a snadno ovladatelné prostředí, které obsahuje multifyzikální analýzy, jakou je třeba kombinace výpočtu proudění a strukturální analýzy (FSI), nebo oteplení a následné deformace vlivem elektromagnetických ztrát. Využití těchto nástrojů se v současném globalizovaném světě, kde se konkurenční boj neustále zostřuje, stává pro firmy, které chtějí uspět, nezbytností. A co vy? Jste si jistí, že vaše výrobky nelze vyrobit levněji a s delší životností?