Конечно-элементное моделирование и оптимизация щелевого фильтроэлемента Выполнил: Цветков А. А. Руководитель: Карпенко А. П. Задачи дипломного проектирования o Обзор типов и методов изготовления щелевых фильтров o Разработка параметризованной модели щелевого фильтра o Разработка программного обеспечения, позволяющего управлять моделью, а также управлять вычислительным экспериментом в средах инженерного анализа SolidWorks Simulation и ANSYS o Построение адекватной конечно-элементной модели фильтра o Оптимизация геометрии фильтроэлемента Обзор типов и методов изготовления щелевых фильтроэлементов 1) Получаемые механической обработкой • • • • Фрезерование Обработка давлением Токарная обработка Метод деформирующего резания 2) Получаемые физико-техническими методами обработки • Электрохимическая обработка • Лазерная обработка 3) Сборные • Тканные • Плотно намотанные • Сварные Постановка задачи o o o o N – число винтовых рядов щелей c b – ширина щелей – угол наклона рядов щелей R – радиус траектории инструмента o S – осевой шаг щелей o 𝑛щ – число щелей o 𝐻𝑐 – высота спирали и o o D, L – габариты фильтра o h – толщина стенки фильтра o G – длина необработанной части фильтра Постановка задачи. Варьируемые параметры Компоненты вектора варьируемых параметров o угол наклона винтовой линии рядов щелей, град x1 o шаг щелей, мм x2 S o o радиус вращения инструмента, мм x3 Rи Допустимая область значений варьируемых параметров DX X | 30 x1 80; 1 x2 3; 20 x3 50 Критерии оптимальности фильтра o Живое сечение - отношение суммарной площади щелей площади нарезанной части поверхности фильтра ф1 ( X ) 1 min; X 2 1 N c nщlвн.щb; к 2 2 rH c o Жесткость фильтра - раскрытие щелей в результате растяжения фильтра осевой силой, приложенной к одному из торцов фильтроэлемента при закреплении другого торца ф2 ( X ) L S o min X Hc o Прочность фильтра - максимальное напряжение, возникающее в материале фильтра при фиксированном перепаде давлений ф3 ( X ) min X Постановка задачи оптимизации Рассматриваем детерминированную задачу глобальной условной оптимизации min Ф( Х ) Ф( Х * ), Х DX X X ( x1 , x2 , x3 ) - вектор варьируемых параметров Ф( X ) (ф1 ( X ), ф2 ( X ), ф3 ( X )) - векторный критерий оптимальности Разработка модели фильтроэлемента o Модель разработана в системе SolidWorks o Щелевые отверстия, расположенные по спирали, были созданы при помощи массивов, управляемых кривой o Параметризация выполнена на основе известных математических зависимостей Программное обеспечение o Используется для управления параметрами модели и для проведения серии экспериментов в среде SolidWorks Simulation o Реализовано с использованием API SolidWorks o Язык разработки - С# Конечно-элементная модель фильтроэлемента. SolidWorks Исходя из полученных значений энергии деформации и времени расчета максимальная длина ребра КЭ smax принимается равной 1 мм. Оптимизация геометрии фильтроэлемента с использованием приложения PREF Решение задачи оптимизации сводится к решению однокритериальной задачи глобальной условной оптимизации min ( Х , ) ( Х * , ), Х D X X (1 , 2 , ..., m ) D вектор весовых множителей D множество допустимых значений этого вектора МКО–задача сводится к задаче отыскания вектора D , такого что * max ( ) ( ), D * - функция предпочтений ЛПР Для аппроксимации функции предпочтений в программе PREF использован многослойный персептрон с семью нейронами в скрытом слое. В качестве метода глобальной условной оптимизации использован метод мультистарта в комбинации с прямым методом многомерной локальной условной оптимизации Constrained Optimization BY Linear Approximations Результаты вычислительных экспериментов. SolidWorks o Угол наклона винтовой линии рядов щелей x1 59 град; o Шаг щелей x2 S0 1 мм; o Радиус вращения инструмента x3 Rи 49 мм; o Живое сечение ф1 0,093 o Жесткость фильтра ф2 0,012 мм; o Прочность фильтра ф3 3,675 МПа. Конечно-элементная модель. ANSYS Метод оптимизации на основе техники метамоделирования. ANSYS 1) Планы проведения эксперимента • • • • • Central Composite Design (CCD) Box-Behnken Design Sparse Grid Initialization Latin Hypercube Sampling Design (LHS) Optimal Space-Filling Design (OSF) 2) Методы построения метамодели • • • • • Full 2nd-Order Polynomial Kriging Non-Parametric Regression Neural Network Sparse Grid Вычислительные эксперименты. ANSYS Workbench Организационно-экономическая часть Структура затрат Заработная плата 76% Диаграмма Ганта Прочие затраты 0,4% Материальные затраты 0,2% Другое 1% Отчисления в социальные фонды 23% Амортизационные отчисления 0,6% Таблица статей затрат Статья Итого: Сумма, руб Отчисления в социальные фонды 114750 Заработная плата 382500 Амортизационные отчисления 3013 Прочие затраты 2000 Материальные затраты 1000 503263 Выводы o Выполнен обзор основных типов и методов изготовления щелевых фильтроэлементов. o Разработана параметризованная модель щелевого фильтроэлемента в среде SolidWorks o Разработано программное приложение для проведения экспериментов в среде SolidWorks o Выполнено исследование по выбору адекватной конечно-элементной сетки в среде SolidWorks o Решена задача трехкритериальной оптимизации геометрии фильтра с использованием приложения PREF o Выполнен выбор конечно-элементной сетки в среде ANSYS Workbench o Рассмотрена техника метамоделирования при решении задач многокритериальной оптимизации o В среде ANSYS решена задача трёхкритериальной оптимизации фильтра с использованием технологии метамоделирования o Произведен расчет трудоемкости и затрат выполнения проекта o Проведён анализ вредных факторов при работе с ПЭВМ Спасибо за внимание!