ResumenOptimizar consiste en determinar el peso, la tensin, el coste, la desviacin, las frecuencias naturales y los factores de temperatura, que dependen de variables como las dimensiones, las cargas y restricciones, los materiales y los requisitos de fabricacin. El reto radica en que apenas conocemos estos factores en las fases previas del proceso de diseo.

En este documento se revisarn algunos conceptos clave de la optimizacin, las herramientas actualmente disponibles para la optimizacin segn FEA y, a continuacin, se centrar en cmo los ingenieros de diseo pueden sacar el mximo partido a la optimizacin en su trabajo diario.

OptimizAcin dE SOlidWOrkS

i n F O r m E t c n i c O

Introduccin a la optimizacin

durante la ltima dcada, los ingenieros de diseo han aprendido a utilizar y a confiar en herramientas de ingeniera asistida por ordenador (cAE) como el anlisis por elementos finitos (FEA), la dinmica de fluidos computacional (cFd) y la simulacin del movimiento como ayudas importantes para producir mejores diseos con ms rapidez. Saben que dichas herramientas les ayudarn a disear piezas, ensamblajes y productos que soportarn una intensa actividad.

Sin embargo, es posible que los productos diseados para funcionar en las peores situaciones no sean los mejores diseos para su entorno en la vida real. para cumplir con los requisitos de seguridad y fuerza, es posible que estn diseados en exceso y sean demasiado pesados para sus propsitos, o bien demasiado difciles y costosos de fabricar. los ingenieros de diseo que quieran disear losmejores productos y los ms rentables para sus funciones deben dar el paso adelante que les ofrece la cAE en el desarrollo de productos: la optimizacin.

Optimizacin para los ingenieros de diseo

la optimizacin del diseo puede incrementar el valor de un producto mejorando su rendimiento en su entorno operativo y reduciendo el coste de produccin mediante la reduccin de la cantidad de material utilizado para fabricarlo.

El ingeniero de diseo est, por definicin, a la vanguardia del desarrollo de productos. Actualmente, dicho ingeniero ya est familiarizado con el anlisis dediseo, lo que significa que dispone de los conocimientos bsicos necesarios para llevar a cabo la optimizacin y slo necesita herramientas de optimizacin para dar el siguiente paso.

Al utilizar la optimizacin, el ingeniero de diseo incrementar sus conocimientos acerca del comportamiento de su producto y mejorar el diseo, mientras se centra en los datos obtenidos de los anlisis realizados previamente.

ilustracin 1: llave fija para su optimizacin

Elementos fundamentales de la optimizacin

El proceso de la optimizacin tiene tres componentes principales:

Objetivo

restricciones

Variables

En su manera ms simple, el diseo optimizado debera maximizar o minimizar elobjetivo cambiando las variables mientras se mantienen las respuestas crticas dentro de las restricciones definidas.

la optimizacin del diseo puede incrementar el valor de un producto mejorando su rendimiento en su entorno operativo.

OptimizacinconSolidWorks2

ObjetivoEl objetivo es el propsito de la optimizacin. por ejemplo, si los estudios de investigacin de una empresa muestran que obtendr una ventaja competitiva produciendo el producto ms ligero o menos caro, entonces reducir el peso oelcoste se convierte en el objetivo de la optimizacin. Este caso se denomina optimizacin de un solo objetivo.

A menudo los ingenieros tienen que enfrentarse a optimizaciones con varios objetivos. Sin embargo, este tipo de optimizaciones pueden demandar ms recursos de los que suelen estar disponibles. Si el ingeniero de diseo puede ajustar la definicin de su problema a un solo objetivo (o a un objetivo cada vez) el proceso de optimizacin se convierte en algo ms sencillo.

En la mayora de los casos, los ingenieros que trabajan con respuestas estructurales tienen como objetivo la minimizacin del peso. En las aplicaciones de flujo de fluidos, los objetivos ms habituales consisten en minimizar la cada de la presin y la energa turbulenta o en maximizar la velocidad.

Restriccioneslas restricciones pueden aportar realismo a la optimizacin. El ejemplo de la vigaen voladizo que aparece en la ilustracin 2 es una muestra. Si el problema de optimizacin se configurara como un estudio de minimizacin del peso sin restricciones, el programa de optimizacin seleccionara inmediatamente la condicin de material mnima permitida por las variables de las cotas. Sin embargo, en el mundo real, la mayora de las piezas tienen otros requisitos operativos, como pueden ser la resistencia o la rigidez. por eso es importante que el ingeniero seleccione las restricciones que definen el comportamiento aceptable de la pieza dentro de su sistema. las restricciones que elige suelen ser aquellas permitidas en un solo anlisis esttico, de frecuencia o trmico.

ilustracin 2: Una viga de peso mnimo puede desviarse de manera excesiva.

Variables de diseoEn un estudio de optimizacin, el ingeniero necesita poder cambiar los parmetros de diseo si espera encontrar la mejor de las muchas configuraciones posibles. Esos parmetros son las variables de diseo. pueden ser las cotas, el nmero de instancias de una matriz, las propiedades materiales, las cargas, la rigidez de los resortes o bien cualquier otro aspecto de un diseo que pueda tener una mejor consideracin o valor detectable.

las variables pueden ser continuas, lo que significa que la variable puede tener cualquier valor entre un mnimo y mximo especificados. la mayora de las variables de cota pertenecen a la categora continua.

Si el ingeniero de diseo puede ajustar la definicin de su problema a un solo objetivo (oa un objetivo cada vez) el proceso de optimizacin se convierte en algo ms sencillo.

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tambin pueden ser discretas, lo que significa que la variable tiene un conjunto definido de valores posibles. la forma ms sencilla de variable discreta es una variable activada-desactivada o s-no. por ejemplo, la presencia o la falta de una soldadura o cierre pertenece a la categora de variables discretas. Otros ejemplos incluyen las instancias de un patrn. O, por ejemplo, una polea o rueda que pueden tener cualquier nmero de radios, pero no 3,2 o 4,7.

los calibres para chapa metlica son un ejemplo de una variable que puede pertenecer a las dos categoras. Generalmente, el espesor del calibre tiene valores predefinidos, pero es una prctica habitual especificar el espesor como una variable continua y despus redondear el valor hacia arriba o hacia abajo hasta el espesor del calibre ms cercano.

la seleccin de variables es un paso muy importante en la configuracin de unestudio de optimizacin. Si el ingeniero selecciona demasiadas variables, omuypocas, la eficacia del anlisis se puede ver afectada. demasiadas variables, ounrango demasiado grande, pueden dificultar que el programa determine la configuracin de diseo ms apropiada, especialmente cuando se consideran las mnimas y las mximas relativas. por otra parte, si el diseador ofrece demasiadas pocas variables, o un rango muy pequeo, el xito del estudio puede ser innecesariamente limitado.

El mtodo ms fiable para seleccionar variables adecuadamente radica en realizar estudios de sensibilidad iniciales sobre las diferentes posibilidades. Este proceso se tratar en la siguiente seccin.

Herramientas para la optimizacin de productos

la optimizacin mediante FEA representa un campo de estudio creciente en la ingeniera. Aunque hay muchos programas y tcnicas disponibles para realizarla, los estudios industriales, los estudios de sensibilidad y la optimizacin de la forma son los ms utilizados en la actualidad. los dos mtodos ms utilizados deoptimizacin de la forma son la bsqueda de gradientes y el diseo de experimentos (doE). Este ltimo est basado en clculos de superficie de respuesta y produce soluciones slidas, es decir, eficaces en la gama ms amplia de posibles condiciones de servicio durante la vida del producto.

Estudios industrialeslos estudios industriales son exploraciones iterativas de configuraciones de diseo alternativas. por ejemplo, el ingeniero de diseo puede aadir o eliminar un nervio para averiguar el impacto resultante en el rendimiento.

los estudios industriales pueden ser muy valiosos para evaluar rpidamente varias opciones, para determinar cul de los posibles cambios realizados en una pieza, si hubiera alguno, tendr el mayor impacto. como el nmero de combinaciones de operaciones puede ser ilimitado, es importante registrar las iteraciones y su correspondiente respuesta con el fin de evitar la duplicacin o la prdida. los usuarios de SolidWorks disponen de una herramienta excelente para gestionar las iteraciones de estudios industriales en la herramienta configuraciones.

despus de valorar los posibles cambios algunos pueden ser objeto de ms estudio el diseador puede emplear un estudio de sensibilidad para investigar la variabilidad de las cotas u operaciones de diseo relevantes.

Si el ingeniero selecciona demasiadas variables, o muy pocas, la eficacia del anlisis se puede ver afectada.

los dos mtodos ms utilizados de optimizacin de la forma son la bsqueda del gradiente y el diseo de experimentos (doE).

OptimizacinconSolidWorks4

Estudios de sensibilidadUn estudio de sensibilidad evala de manera sistemtica el cambio en la respuesta a variaciones de entrada. los resultados de dichos estudios se suelen mostrar en trazados y grficos que indican la magnitud del parmetro que se modifica en el eje X y la respuesta al cambio en el eje Y. la ilustracin 3 muestra un ejemplo de este resultado. Una variacin grande en respuesta al rango de entrada indica una alta sensibilidad. Una variacin pequea en respuesta indica insensibilidad. dichos estudios ayudan a mostrar al ingeniero las operaciones que justifican un estudio ms en profundidad.

ilustracin 3: Estudio de sensibilidad de los parmetros: tensin frente a espesor

los estudios de sensibilidad pueden indicar al ingeniero los parmetros ms significativos as como el rango de valores que tienen mayor impacto en el objetivo. Un programa de optimizacin basado en FEA puede completar dicho estudio mediante la resolucin del problema con una serie de valores para un parmetro especfico y, a continuacin, trazar el objetivo y las respuestas restringidas.

En la ilustracin 4 se muestra el formulario de entrada para configurar dicho estudio de sensibilidad con SolidWorks Simulation, utilizando la funcionalidad Escenarios de diseo del programa. Este mtodo automtico divide cada rango del parmetro en consideracin en divisiones iguales, indicando los valores de lascotas que se van a estudiar. Una vez resuelto el modelo en cada cota, el programa genera trazados de respuesta, como los que se muestran en la ilustracin 4.

ilustracin 4: configuracin para un estudio de sensibilidad de varios parmetros utilizando escenarios de diseo

los estudios de sensibilidad pueden indicar al ingeniero los parmetros ms significativos as como el rango de valores que tienen mayor impacto en el objetivo.

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ilustracin 5: Un algoritmo de optimizacin slido puede determinar la direccin ptima deldiseo

ilustracin 6: trazado de sensibilidad con varios mnimos

Optimizacin con SolidWorks

SolidWorks Simulation utiliza un mtodo de optimizacin basado en doE. para ejecutar un problema, el ingeniero proporciona los valores mximos y mnimos de sus variables de diseo de cotas y, a continuacin, selecciona una optimizacin Estndar o de Alta calidad. El mtodo estndar funciona suponiendo que la curva de respuesta objetiva entre los valores lmite sea lineal y calcula slo la respuesta a estos valores. la optimizacin de alta calidad tiene en cuenta la posibilidad de una respuesta de segundo orden entre los lmites y evala un valor medio as como los extremos. la ilustracin 7 muestra las iteraciones de diseo automtico realizadas para una suspensin de automvil en la que el tamao delos tres redondeos es diferente. En este caso, la restriccin del diseo consiste en no superar el lmite elstico del material bajo la carga esttica.

ilustracin 7: Optimizacin de una forma de huso con radios de redondeo variables

OptimizacinconSolidWorks6

El estudio de optimizacin de SolidWorks Simulation produce un solo valor que representa una configuracin ptima para cada variable. para obtener el mayor grado de precisin con este mtodo, el ingeniero debe ajustar el rango de valores para cada variable y ejecutar una segunda optimizacin o un estudio de sensibilidad. Al hacerlo, el programa de optimizacin le ofrecer unos datos rpidos y efectivos para mejorar su producto y alcanzar un diseo ptimo.

El mejor momento para ejecutar una optimizacin

El ingeniero que realice la optimizacin sacar el mejor partido de la tecnologa si lleva a cabo la optimizacin en las fases iniciales del proceso de di seo. A medida que el diseo avanza, tiende a ser cada vez ms complejo y los cambios resultan ms difciles de evaluar e implantar.

En la fase conceptual de un diseo, el ingeniero puede utilizar la optimizacin para asegurarse de que el diseo bsico tenga los materiales, el espesor de pared, las operaciones de rigidizacin y los mtodos de cierre adecuados, etc. los estudios han demostrado que el 80% del coste de un producto se define en el primer 20% del proceso de diseo. para asegurarse de que un producto competitivo funciona segn lo deseado, vale la pena analizar las configuraciones ptimas en las fases iniciales de desarrollo del producto.

A pesar de la importancia de realizar la optimizacin en las fases iniciales del ciclo de diseo, tambin tiene su lugar posteriormente en el proceso de diseo, durante el cual el ingeniero puede usarla para solucionar problemas o mejorar operaciones individuales.

La conexin de CAD y anlisis para la optimizacin

todo lo mencionado anteriormente se refiere a la optimizacin mediante FEA ymuy a menudo el FEA depende del programa de cAd en el que se haya creado el diseo. El sistema de cAd tambin es muy importante para la optimizacin, porque el mtodo de creacin de modelos, los esquemas de acotacin y las relaciones incrustadas afectan a la capacidad del diseador para analizar las alternativas de diseo.

A medida que el ingeniero crea sus modelos, debe tener en cuenta la acotacin que permite modificar las operaciones que anteriormente se beneficiaron de la optimizacin sin causar errores de reconstruccin en el modelo.

para la optimizacin, la planificacin es vital. Un diseador puede descubrir beneficios en la creacin de un modelo de cAd que se va a usar exclusivamente para la optimizacin y, a continuacin, usar la informacin recopilada en el proceso para realizar un modelo de cAd para la documentacin y la produccin. la complejidad de la pieza y la estructura deberan guiarle a la hora de seleccionar las operaciones que se van a estudiar.

El ingeniero que realice la optimizacin sacar el mejor partido de la tecnologa si lleva a cabo la optimizacin en las fases iniciales del proceso de diseo.

OptimizacinconSolidWorks7

Sacar el mximo partido a la optimizacin

los ingenieros que tengan la intencin de usar la optimizacin como una herramienta para mejorar los diseos y los productos necesitan deshacerse delas ideas preconcebidas acerca de lo que constituye lo ptimo. Se pueden obtener mejores resultados si se deja que el programa de optimizacin proporcione informacin y si, a continuacin, se entienden las diferentes implicaciones de los datos.

El diseador con una mentalidad abierta descubrir que las herramientas de optimizacin ofrecen varias soluciones al problema, soluciones que se deben tener en cuenta en vista de la rentabilidad y las necesidades de fabricacin para obtener el producto ms rentable y mejor al final del da.

ilustracin 8: Brazo robtico para la misin mars Exploration rover (mEr) de la nASA

xito con la optimizacin

Alliance Space SystemsAlliance Spacesystems, inc. (ASi), pasadena, cA, disea y fabrica sistemas mecnicos, robots, estructuras y mecanismos para instrumentos aeroespaciales y cientficos. En particular, ASi ha creado los brazos robticos utilizados en los exitosos rovers Spirit y Opportunity desarrollados por la nASA para la misin mars Exploration rover (mEr).

ASi utiliz el programa de anlisis integrado SolidWorks Simulation para probar y optimizar el diseo de piezas y ensamblajes. Buscbamos cada uno delos gramos de peso, cada uno de los milmetros de espacio, comenta Brettlindenfeld, director de ingeniera de ASi. puesto que nuestros analistas haban utilizado SolidWorks Simulation para el anlisis trmico y de tensiones, pudieron respaldar a nuestros diseadores y colaborar de manera eficaz para optimizar el diseo. Elequipo pudo reducir el volumen del brazo robtico en un 20 por ciento, el equivalente en el campo de la automocin al espacio necesario para el motor ylatransmisin de un coche, mientras la remodelacin se mantuvo en menos deluno por ciento. Fuimos rpidos pero an as produjimos un diseo de mayor calidad y ms innovador.

los ingenieros que tengan la intencin de usar la optimizacin como una herramienta para mejorar los diseos y los productos necesitan deshacerse de las ideas preconcebidas acerca de lo que constituye lo ptimo.

OptimizacinconSolidWorks8

Kadant Johnsonkadant Johnson (anteriormente the Johnson corporation), de three rivers, michigan, disea y fabrica sistemas avanzados de control de procesos, juntas rotativas, sistemas de sifn y calefaccin y componentes relacionados para equipos de transferencia de fluidos y calor utilizados en las industrias de procesos. Alan ives, director de desarrollo de productos, y su equipo asumieron el reto de optimizar el diseo de una junta rotativa y ensamblaje de sifn utilizado en la seccin de la secadora de mquinas de fabricacin de papel de alta velocidad. Ajustar un diseo ya slido con clculos manuales y el programa de FEA existente habra sido una tarea que hubiese requerido mucho tiempo. El equipo necesitaba una nueva solucin de ingeniera para ahorrar tiempo y obtener la mayor amortizacin de la inversin del diseo.

ilustracin 9: los ensamblajes de sifn se optimizaron en the Johnson corporation.

la empresa utiliz SolidWorks Simulation para analizar y optimizar cada uno delos componentes e hizo un seguimiento de ms conceptos en un tiempo razonable y con menos iteraciones de diseo. El resultado fue un ensamblaje ms resistente, duradero y ligero desarrollado en menos tiempo que el habitual para el desarrollo. consideramos que SolidWorks Simulation es un paquete muy potente. nos ha ayudado a lograr todos nuestros objetivos de diseo a tiempo, explica ives. consiguieron una reduccin del 40% al 50% del peso en cada uno de los tres proyectos y pudieron correlacionar la respuesta prevista con las pruebas fsicas. dicha reduccin es el resultado directo de la utilizacin de SolidWorks para optimizar el diseo, aade.

Conclusin

la optimizacin del diseo puede incrementar el valor de un producto mejorando su rendimiento en su entorno operativo y reduciendo el coste de produccin mediante la reduccin de la cantidad de material utilizado para fabricarlo. Al utilizar la optimizacin, el ingeniero de diseo incrementar sus conocimientos acerca del comportamiento de su producto y mejorar el diseo.

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