optymalizuje części z wykorzystaniem metod natury

Ewolucja w postępie minutowym
Przy optymalizacji części sami doświadczeni konstruktorzy, wiedzeni intuicją, nie są w stanie opracować możliwie najlepszego wzoru części. Od pewnego czasu MANN+HUMMEL sięga do cenionego od milionów lat wzoru ewolucji i osiąga tym samym zadziwiające efekty. Kiedy technicy w MANN+HUMMEL konstruują systemy ssawne powietrza, stają przed zadaniem takiego ukształtowania kanału ssawnego w obrębie silnika, aby ograniczyć utratę ciśnienia. W tym wypadku inżynierowie mogą czerpać rozwiązania z doświadczeń w budowie podobnych części, powoływać się na obliczenia lub wykorzystać intuicję.

Siły ochronne bioniki
Od kilku lat bionika jako młoda dziedzina nauki dostarcza biologicznych wzorów do przystosowań w technice. Przy konstrukcji systemów ssawnych nie przenosi się jednak mądrej zasady budowy z natury – efektu kwiatu lotosu – na produkt. Technicy stosują metody natury, aby zoptymalizować daną część. Symulacji podlegają tutaj trzy zasadnicze filary biologicznej ewolucji, które w 1859 roku sformułował Charles Darwin:
1) Mutacja – która wytwarza nieznaczne wahania w materiale genetycznym.
2) Rekombinacja – kiedy genetyczny materiał rodziców przypadkowo rozdzielany jest na potomstwo i na nowo przyporządkowywany.
3) Selekcja – oddziaływanie czynników zewnętrznych i wewnętrznych sił przeżycia.
- Za pomocą wysoko wydajnych komputerów nie jest już dzisiaj problemem zastosowanie tych zasad w ramach strategii ewolucji i wykorzystanie ich w rozwiązaniu i optymalizacji zadań – wyjaśnia dr Matthias Teschner, który kieruje w MANN+HUMMEL działem symulacji.

Wzrost drzewa wykorzystują designerzy produktów, by móc wyprodukować możliwie lekkie, a przy tym wytrzymałe pod względem technicznym części.

Pytanie: tylko co jest najlepsze?
Zadaniem rury ssawnej jest m.in. takie ukształtowanie różnie przyporządkowanych kanałów, aby mimo ograniczonej powierzchni zabudowy utrata ciśnienia była ograniczona, ponieważ im wyższa utrata ciśnienia, tym mniej powietrza dopływa do silnika i tym mniejsza jest jego wydajność. Na początku ewolucyjnych obliczeń wprowadza się do komputera dane wyjściowe odnośnie: wielkości powierzchni zabudowy, przekroju i stopni zakrzywień rury ssawnej. Po tym następuje “ewolucja” rury ssawnej w takcie sekundowym lub minutowym. Przy tej części optimum osiągnięto po blisko 500 generacjach: utrata ciśnienia była o ok. 35 proc. niższa. Innym wysoce aktualnym przykładem jest opracowany przez MANN+HUMMEL jednopłaszczyznowy wysokowęglowy adsorber znany w firmie, jako
wysokowęglowy obwód absorpcyjny, który zapobiega wypływie oparów paliwa z samochodu. Żeby zbiornik węglowodorów mógł wychwycić możliwie dużo molekuł, przeprowadza się próby umieszczenia w obudowie możliwie dużej powierzchni filtracyjnej. Jednak w miarę wzrostu ilości medium filtracyjnego, wzrasta również wartość traconego ciśnienia. Mamy tu ponownie typowe zadanie optymalizacyjne – stwierdza szef zespołu symulacji. Można zmieniać odstęp, długość i ilość fałd, pytanie: tylko co jest najlepsze? Przy wykorzystaniu strategii ewolucji można dosyć precyzyjnie odpowiedzieć na to pytanie. Komputer tym razem po ok. stu wirtualnych generacjach doszedł do optimum: do o 60 proc. zredukowanej wartości utraty ciśnienia przy wystarczającej powierzchni adsorbującej.

Od pięciu do dziesięciu połączonych komputerów
Jak szybko przebiegają takie obliczenia, zależy od obostrzeń w zakresie postawionych zadań. Opisana optymalizacja rury ssawnej czy adsorbera trwa z reguły nie dłużej niż kilka minut, o ile zadanie uda się zapisać w matematycznym równaniu. Przy bardziej kompleksowych problemach może jednak się zdarzyć, że rząd połączonych od pięciu do dziesięciu komputerów będzie pracował całą noc lub nawet kilka dni. Konstruktorzy MANN+HUMMEL mogą przy optymalizacji mechanicznych części odnosić korzyści również w zakresie symulacji biologicznego wzrostu. Designerzy produktów mogą wykorzystywać doświadczenia związane ze wzrostem drzew lub kości, aby produkować możliwie lekkie i przy tym trwałe technicznie części. Dla przemysłu samochodowego i samolotowego ważnym problemem jest waga, ponieważ pozostaje ona w bezpośrednim związku ze zużyciem paliwa. Przy próbach projektowania lekkiej konstrukcji nośnej samolotów w konwencjonalny sposób, często napotyka się na pewne ograniczenia. Za pomocą symulacji komputerowej można szybko wyliczyć optimum z uwzględnieniem ograniczonej wagi, przy zachowaniu takiej samej wytrzymałości.

Droga ewolucji

Nie tylko optymalnie, ale i ładnie
Metodę symulacji wykorzystali np. inżynierowie z BMW przy konstrukcji lekkich szprych w tylnym kole motocykla K1200. – Dla mnie jest to szczególnie
fascynujące – uważa dr Teschner – że struktury, które powstały według naturalnych strategii wzrostu, w większości przypadków mają również estetyczny wygląd.
Obok wzrostu kości inną możliwością ulepszania części jest optymalizacja kształtu. W tym wypadku zmianie podlega nie wewnętrzna struktura, ale zewnętrzna forma. Np. tygrysi pazur podobny do logarytmicznej spirali (spirala jednorodnie przebiegająca od wewnątrz na zewnątrz, np. skorupa ślimaka) posiada optymalnie obciążeniową formę, która również przy dużych obciążeniach nie pęka. Przy technicznych częściach są z reguły obszary, które lokalnie podlegają wysokim obciążeniom, które muszą wytrzymać ekstremalnie wysokie napięcia.
- O ile uda się ulepszyć te obszary, o tyle uda się wyraźnie zwiększyć trwałość części – mówi dr Teschner. Tak jak drzewo wzmacnia konary, tak w określonych miejscach należy wzmocnić część określoną ilością materiału. Bionice udało się skopiować ten naturalny mechanizm adaptacji wzrostu i przenieść na dowolne części techniczne w taki sposób, że komputer może określić miejsca wymagające wzmocnienia. MANN+HUMMEL stosuje już tę metodę komputerowo wspomaganej optymalizacji (CAO) właśnie w optymalizacji swoich produktów.

30 milionów zmian obciążeń – to żaden problem
Przykładem zastosowania tej metody jest ożebrowanie rury ssawnej. Przy przepisowej kontroli zmęczeniowej dopiero po 600 000 zmian obciążenia pojawiło się lekkie pęknięcie. Przy ograniczonych zmianach ożebrowania za pomocą metody CAO, wytrzymało ono ponad 30 milionów zmian obciążenia.
Również przy powstawaniu rury ssawnej do 3-litrowego Audi V6 w Ludwigsburgu, przy wykorzystaniu metody CAO usunięte zostały słabe punkty, a ciśnienie rozrywające (osiągnięcie jego górnych wartości powoduje pękanie węży, eksplozję szklanych opakowań i rozerwanie rur ssawnych oraz filtrów) zostało zoptymalizowane. Ograniczona szczelinowo zmiana geometrii zmniejszyła napięcia w części o 31 proc., a statystyczne ciśnienie rozrywające wzrosło o 70 proc. – Dla wielu części istnieją optymalne formy, które można wyliczyć za pomocą strategii optymalizacji – reasumuje ekspert w dziedzinie symulacji dr Teschner.

Zdjęcia: COPY RIGHTS BY MANN+HUMMEL