Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis
Version 2001
Глава 6 - Исследования Чувствительности и Оптимизации Проекта
Упражнение 6a - Изучения локальной чувствительности и оптимизации
Цель
После завершения этого упражнения Вы будете способны:
Настраивать и запускайте анализ детали, используя изучение чувствительности проекта
Настраивать и запускайте анализ детали, используя изучение оптимизации проекта
Изучения чувствительности и оптимизации проекта автоматизирует часть периодически повторяющейся работы, включенной в проект.
В этом упражнении Вы используете изучения чувствительности и оптимизации проекта, чтобы настроить, запустить и анализировать деталь notched_plate, показанную на рисунке 6-7. Деталь является плоской пластиной, сделанной из стали с двумя полукруглыми вырезами.
Рисунок 6-7
При настройке проектных исследований Вам нужно определить следующее:
• Цель для исследования
• Критерий, использованный для оценки эффекта от параметра на деталь notched_plate.
• Параметры (размеры Pro/ENGINEER)
Эти требования суммированы в таблице 6-3.
Таблица 6-3
| Техническое требование | Критерий | Параметры |
| Минимизация веса детали |
• эквивалентные напряжения по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса) • полная масса |
• Размер от левого края до центра выреза (152.5 мм) • Радиус выреза (4.5 мм) • Толщина пластины (4.5 мм) |
Задачи Моделирования
Задание 1: Открытие файла детали notched_plate в Pro/ENGINEER.
1. Откройте notched_plate.prt в Pro/ENGINEER. Деталь выглядит как показано на рисунке 6-8.
Рисунок 6-8
2. Убедитесь, что выбрана система единиц mmNs.
Задание 2: Изменение символов размерного текста.
В этой задаче Вы зададите размерам текстовые названия, чтобы облегчить идентификацию оптимизированных переменных (размеров Pro/ENGINEER) в Pro/MECHANICA.
1. Выберите Modify в меню PART и выберите вытягивание и вырез в дереве модели. Деталь выглядит как показано на рисунке 6-9.
Рисунок 6-9
2. Выберите Dim Cosmetics > Symbol.
3. Выберите размер 152.5 и введите [cut_length].
4. Выберите размер R4.5 и введите [cut_radius].
5. Выберите размер 6.35 и введите [thickness].
6. Выберите Done Sel > Done.
7. Выберите Relations в меню PART. Деталь выглядит как показано на рисунке 6-10.
Рисунок 6-10
8. Сохраните деталь
Задание 3: Определение оболочечных элементов.
В этой задаче Вы идеализируете модель notched_plate как оболочечный элемент.
1. Запустите Pro/MECHANICA
2. Выберите Structure. Деталь выглядит как показано на рисунке 6-11.
Убедитесь, что иконка
выбрана на панели инструментов. Обратите внимание, появляется система координат WCS.
Рисунок 6-11
3. Выберите Model > Idealizations > Shells > Midsurfaces > Create.
Surface 1 может быть одной из двух граней пластины.
4. Выберите surface1, как показано на рисунке 6–12, затем выберите поверхность с другой стороны. Выберите Done Sel.
Рисунок 6-12
5. Выберите Compress > Shells only > ShowCompress, чтобы убедиться, что сжатие оболочек сработало. Опция Show Both выделяет кромки средней поверхности, которая будет использоваться для создания оболочечных элементов, желтым цветом между двумя поверхностями модели. Кромки двух других поверхностей модели отображаются зелёным цветом. Увеличьте вид кромок, как показано на рисунке 6-13.
Рисунок 6-13
6. Чередуйте опции Show Original и ShowCompress, чтобы убедиться в правильном выполнении вышеуказанной процедуры.
7. Выберите Done/Return для завершения определения оболочечных элементов.
Задание 4: Применение нагрузок.
Почему необходимо нагружать кромку, а не поверхность?
В этой задаче Вы приложите нагрузки к кромке поверхности, как показано на рисунке 6-14.
Рисунок 6-14
1. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Force/Moment.
2224.1N = 500lbf
2. Введите [edge_load] в поле Name, выберите показанную на рисунке 6–14 кромку и примите предлагаемое по умолчанию в секции Distribution.
3. Введите [2224.1] в поле X и [-2224.1] в поле Y секции Force.
4. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 6-15.
Вы можете использовать опцию Simulation Display для размещения вектора нагрузки, как показано на рисунке 6–15.
Рисунок 6-15
Задание 5: Применение ограничений.
В этой задаче Вы ограничите кромку пластины, как показано на рисунке 6-16.
Рисунок 6-16
1. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Constraint.
2. Введите [edge_const] в поле Name, выберите показанную на рисунке 6–16 кромку и одобрите остальные опции диалогового окна по умолчанию.
3. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 6-17.
Рисунок 6-17
Задание 6: Применение материала.
1. Назначьте для модели STEEL.
Задачи Анализа
Задание 7: Настройка анализа.
1. Настройте Quick Check анализ для проверки на наличие ошибок. Введите [notched_plate] в качестве названия анализа.
2. Проверка обоснованности модели
Задание 8: Запуск анализа.
1. Выполните Quick Check анализ. Он должен завершиться без ошибок.
Задание 9: Решение модели с использованием опции сходимости Multi-Pass Adaptive.
1. Установите и выполните Multi-Pass Adaptiveс анализ с 5% сходимостью и полиномиальным порядком, равным 9. Выберите опцию Local Displacement, Local strain Energy, and Global RMS Stress в секции Converge. Анализ сходится на проходе 6 с погрешностью напряжения в 8.2% от максимального главного напряжения.
Задание 10: Отображение результатов
Критерием для данного упражнения является эквивалентное напряжение по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса).
1. Создайте и отобразите цветную диаграмму интерференционной полосы напряжения Мизеса для notched_plate. Она выглядят как показано на рисунке 6-18.
Рисунок 6-18
2. Закройте окно с диаграммой напряжений Мизеса и вернитесь в меню MECHANICA.
Заключение
Параметры - это размеры Pro/ENGINEER.
В предшествующих задачах, Вы могли убедиться, что ошибки в модели отсутствуют и сходимость достигнута. Затем Вы посмотрите на изменения критерия при небольшом изменении каждого параметра. Это локальное изучение чувствительности.
Максимальное напряжение Мизеса равно 173.4N/mm2. Предел текучести для материала notched_plate равен 230N/mm2. Различие в величинах (230 - 173.4 = 56.6N/mm2) является важным критерием проекта. Это число (56.6N/mm2) оставляет поле для оптимизации веса.
Задание 11: Прогон локального изучения чувствительности.
В этой задаче Вы измените параметры на небольшое значение (±2%) и исследуйте оказанный эффект на критерии (напряжение Мизеса).
1. Выберите Structure > Dsgn Controls > Switch Dim, затем выберите protrusion id 39 и cut id 66 в дереве модели. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 6-19.
Рисунок 6-19
2. Выберите Design Params. Появляется диалоговое окно Design Parameters, как показано на рисунке 6-20.
Рисунок 6-20
3. Нажмите кнопку 
. Появляется диалоговое окно
Design Parameter Definition, как показано на рисунке 6-21.
В раскрывающемся меню Type опцией по умолчанию является Dimension. Другие опции - Pro/ENGINEER Parameter и Section Dimension.
Рисунок 6-21
Выберите вырез в дереве модели. Отображаются размеры. Выберите размер с символьным названием cut_radius.
4. Нажмите кнопку 
рядом с раскрывающимся меню
Type и выберите размер cut_radius [4.5мм] выреза.
5. Введите [4.25] в поле Minimum.
6. Введите [4.75] в поле Maximum. Появляется диалоговое окно Design Parameter Definition, как показано на рисунке 6-22.
Рисунок 6-22
7. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Parameter Definition.
8. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Design Parameter Definition.
Выберите вырез в дереве модели, появляются размеры, выберите символ размера с названием cut_length.
9. Нажмите кнопку 
рядом с раскрывающимся меню
Type и выберите размер cut_length [152.5мм] выреза.
10. Введите [150] в поле Minimum и [155] в поле Maximum.
11. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Parameter Definition.
12. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Design Parameter Definition.
Выберите вытягивание в дереве модели. Отображаются размеры. Выберите символ размера с названием thickness.
13. Нажмите кнопку 
из раскрывающегося меню
Type и выберите thickness [6.35мм] на пластине.
14. Введите [6.1] в поле Minimum.
15. Введите [6.6] в поле Maximum диалогового окна Design Parameter Definition.
16. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Parameter Definition.
17. Нажмите кнопку 
для завершения выбора параметров.
Задание 12: Анимация модели.
Если величины параметра игнорируют намерение проекта модели, Вы получите сообщение об ошибке.
В этой задаче Вы анимируете модель для гарантии, что Ваша модель регенерируется для всех значений параметров в пределах установленных пределов.
1. Увеличьте вид выреза на верхней части пластины. Выберите Shape Animate. Открывается диалоговое окно Shape Animate, как показано на рисунке 6-23.
Рисунок 6-23
Для проверки формы Вашей модели при изменении значения в пределах интервала для одного или более параметров, используйте опцию Shape Review.
2. Поставьте галочку напротив cut_radius.
3. Примите опцию по умолчанию в поле
Number of Intervals и нажмите кнопку 
. Проведите анимацию для гарантии, что конфликты с геометрией отсутствуют.
4. После проведения анимации, нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Question.
5. Повторите шаги с 1-го по 4-ый из задания 12 для параметра cut_length.
6. Повторите шаги с 1-го по 4-ый из задания 12 для параметра thickness.
Задание 13: Создание локального изучения чувствительности.
В этой задаче Вы создадите изучение проекта для локального анализа чувствительности.
1. Выберие Design Studies из меню MEC STRUCT. Появляется диалоговое окно Design Studies Definition, как показано на рисунке 6-24.
Рисунок 6-24
2. Введите [notched_local] в поле Study Name.
3. Выберите Local Sensitivity из раскрывающегося меню Type.
4. Одобрите опцию по умолчанию, notched_plate (Static), в поле Analyses.
5. Поставьте галочку напротив cut_radius и выберите 4.5 из раскрывающегося меню Parameters.
6. Поставьте галочку напротив cut_length и выберите 152.5 из раскрывающегося меню Parameters.
7. Поставьте галочку напротив Thickness и выберите 6.35 из раскрывающегося меню Parameters.
8. Нажмите кнопку 
для одобрения выбора и закрытия диалогового окна
Design Study Definition.
9. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Study.
Задание 14: Прогон локального изучения чувствительности.
1. Прогоните изучение проекта, которое Вы создали в предшествующих шагах.
Задачи по обработке результатов
Задание 15: Отображение результатов
Критерий - max_stress_vm, а переменные проекта - cut_length, cut_radius и thickness.
1. Создайте три окна диаграммы напряжений Мизеса: по одному для каждого параметра Окно с названием vm_thick, для параметра thickness, показано на рисунке 6–25.
Выберите max_stress_vm и thickness в диалоговом окне Define Contents for Window "vm_thick".
Рисунок 6-25
Окно с названием vm_radius, для параметра cut_radius, показано на рисунке 6–26.
Выберите max_stress_vm и radius в диалоговом окне Define Contents for Window "vm_thick".
Рисунок 6-26
Окно с названием vm_length, для параметра cut_length, показано на рисунке 6-27.
Выберите max_stress_vm и length в диалоговом окне Define Contents for Window "vm_thick".
Рисунок 6-27
Заключение
Если напряжение Мизеса не чувствительно к специфическому параметру, параметр не переносится на следующую часть упражнения.
На этом этапе Вы завершили локальные исследования чувствительности и Вы создали окно результата. Вы можете использовать локальные исследования чувствительности для определения, какие параметры оказывают наибольший эффект на критерий (максимальное напряжение Мизеса) при небольшом изменении значения параметра. Окна результатов, показанные на рисунках с 6–25 по 6–27, показывают, что критерий чувствителен ко всем параметрам.
Вы перенесёте все три параметра в следующую часть этого упражнения, в которой Вы запустите глобальное изучение чувствительности и посмотрите на изменение всех параметров в диапазоне определенных пользователем значений.
Задание 16: Настройка глобального изучения чувствительности проекта.
В этой задаче Вы посмотрите на изменение всех параметров в диапазоне определенных пользователем значение и изучите эффект изменения параметра на критерий (напряжение Мизеса).
1. Закройте окно результатов.
2. Выберите Structure > Dsgn Controls > Design Params. Появляется диалоговое окно Design Parameters, как показано на рисунке 6-28.
Рисунок 6-28
3. Выберите cut_length и нажмите кнопку 
. Появляется диалоговое окно
Design Parameter Definition для cut_length, как показано на рисунке 6–29.
Рисунок 6-29
4. Введите [102.5] в поле Minimum и [202.5] в поле Maximum.
5. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Parameter Definition.
6. Выберите cut_radius и нажмите кнопку 
. Появляется диалоговое окно
Design Parameter Definition для параметра cut_radius.
7. Введите [0.69] в поле Minimum и [10.85] в поле Maximum.
8. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Parameter Definition.
9. Выберите Thickness и нажмите кнопку 
. Появляется диалоговое окно
Design Parameter Definition для параметра thickness.
10. Введите [3.175] в поле Minimum и [9.525] в поле Maximum.
11. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Parameter Definition.
12. Нажмите кнопку 
для завершения модификации параметров.
Задание 17: Анимация модели.
Если величины параметра игнорируют намерение проекта модели, Вы получите сообщение об ошибке.
1. Анимируйте модель, чтобы убедиться, что ваша модель регенерируется со всеми значениями параметра в установленных пределах.
Задание 18: Создание глобального изучения чувствительности.
В этой задаче Вы создадите изучение проекта для глобального анализа чувствительности.
1. Выберие Design Studies из меню MEC STRUCT. Появляется диалоговое окно Design Studies, как показано на рисунке 6-30.
Рисунок 6-30
2. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Design Studies Definition.
3. Выберите опции в диалоговом окне Design Studies Definition, как показано на рисунке 6–31.
Используйте опцию Repeat P-Loop Convergence, когда диапазон значения параметров высокий и форма модели изменяется значительно.
Рисунок 6-31
4. Нажмите кнопку 
для одобрения выбора и закрытия диалогового окна
Design Study Definition.
5. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Studies.
Задание 19: Прогон глобального изучения чувствительности.
1. Прогоните изучение проекта, которое Вы создали в предшествующих шагах.
Задание 20: Отображение результатов
Критерий - max_stress_vm, а переменные проекта - cut_length, cut_radius и thickness.
1. Создайте три окна диаграммы напряжений Мизеса: по одному для каждого параметра. Окно с названием vm_thick, для параметра thickness, показано на рисунке 6-32.
Рисунок 6-32
Окно с названием vm_radius, для параметра cut_radius, показано на рисунке 6-33.
Рисунок 6-33
Окно с названием vm_length, для параметра cut_length, показано на рисунке 6-34.
Рисунок 6-34
Заключение
Вы выполнили это изучение, чтобы определять наилучшую возможную комбинацию параметров для минимального напряжения Мизеса.
На этом этапе Вы завершили глобальные исследования чувствительности и создали окна для представления результатов. В предшествующих задачах, Вы смотрели на изменение всех параметров в пределах определенных пользователем значений. Окна отображения результатов, показанные на рисунках с 6–32 по 6–34, показывают следующее для минимального эквивалентного напряжения по гипотезе энергии формоизменения (Мизеса):
• Максимальное значение thickness
• Минимальное значение cut_radius
• Максимальное значение cut_length
Это - самая ёмкая по вычислению часть упражнения.
В следующих задачах, Вы установите величины параметра, которые позволят минимизировать вес модели notched_plate, не превышая величину набора для напряжения Мизеса.
Задание 21: Создание изучения оптимизации проекта.
В этой задаче Вы создадите изучение проекта, чтобы оптимизировать вес модели.
1. Сохраните окна отображения результатов и сохраните модель.
2. Выберие Design Studies из меню MEC STRUCT. Открывается диалоговое окно Design Studies.
3. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Design Studies Definition.
4. Выберите Optimization из раскрывающегося меню Type. Опции диалогового окна Design Studies Definition появляются как показано на рисунке 6-35.
Выберите опцию Repeat P-Loop Convergence, когда диапазон значения параметров высокий и форма модели изменяется значительно.
Рисунок 6-35
5. Введите [notched_optimize] в поле Study Name.
6. Примите опцию по умолчанию в раскрывающемся меню Goal.
7. Нажмите кнопку 
и выберите опцию
max_stress_ vm в диалоговом окне Select One or More Measure.
8. Введите [230] как величину предела текучести. Эта секция диалогового окна, как показано на рисунке 6-36.
Рисунок 6-36
9. Введите информацию, как показано на рисунке 6–37, в секцию Parameters диалогового окна.
Рисунок 6-37
10. Одобрите опцию по умолчанию в поле Optim Convergence (%).
11. Выберите 10 из раскрывающегося меню Max Iterations.
12. Одобрите выбор по умолчанию для Repeat P-Loop Convergence.
13. Нажмите кнопку 
для одобрения выбора и закрытия диалогового окна
Design Study Definition.
14. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Design Study.
Задание 22: Прогон изучения оптимизации проекта.
1. Прогоните изучение проекта, которое Вы создали в предшествующих шагах. На это может потребоваться минут двадцать.
Задание 23: Отображение результатов
В этой задаче, Вы расположите оптимальную массу модели и величины параметра, получите диаграммы, чтобы показать различные параметры как функцию от массы модели и напряжения Мизеса. Также создадите диаграммы для критериев: max_stress_vm и total_mass.
1. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Run.
2. Определите оптимальную массу модели и величины параметров. Эти значения показаны на рисунке 6-38.
Помните, что единицей массы является метрическая тонна, а единицей длины является миллиметр.
Рисунок 6-38
3. Отобразите диаграммы, чтобы показывать другие параметры как функцию от массы модели и напряжения Мизеса.
Задание 24: Создание двух графиков для критериев, max_stress_vm и total_mass.
1. Открывается окно vm_stress, как показано на рисунке 6-32.
Рисунок 6-39
2. Создайте диаграмму для total_mass. Диаграмма показана на рисунке 6–40.
Рисунок 6-40
Задание 25: Просмотр истории оптимизации.
В этой задаче Вы рассмотрите историю изменений формы в течение процесса оптимизации.
1. Закройте окно с диаграммой и вернитесь в меню MECHANICA.
2. Установите Вашу рабочую директорию на директорию, содержащую поддиректорию notched_optimize.
3. Выберите Structure > Dsgn Controls > Optimize Hist > Search Study.
4. Поставьте галочку рядом с notched_optimize в меню SELECT STR и следуйте за подсказками, чтобы рассмотреть процесс оптимизации.
5. Сохраните модель и закройте окно.