Optimización Automotriz Chasis Dimensionamiento de Modal y Criterios de distorsión J.M. Biradar1, Biradar1, B.V. B.V. Vijay, !ailash !ailash Jat" 1M.#c. $%n&&.' %studiante, (ro)esor y Je)e del CM*%, "D+M, Mahindra - D, Chennai Automotriz Centro de n&eniera M. #. %scuela *amaiah de %studios A/anzados, Ban&alore 02 203 A4stracto %l peso es uno de los controladores de dise5o importantes de los miem4ros de automoción. %n el caso de los miem4ros de soporte de car&a primarios, como el chasis, el proceso de dise5o es impulsado por numerosos re6uisitos de )a4ricación y de rendimiento. Como resultado, el ahorro de peso los es)uerzos son tpicamente tomadas hasta sólo en posteriores ciclos de dise5o m7s 4ien 6ue en los preliminares. %n este tra4ajo, un ro4usto en)o6ue de optimización 6ue se pueden utilizar en las primeras etapas de dise5o, y 6ue resulta en ahorro de peso, se ha descrito8 9a metodolo&a desarrollada se ha aplicado a la optimización del tama5o de una estructura de chasis tpico utilizado en la industria automotriz aplicación. Optimización de la estructura ha sido lle/ada a ca4o con )recuencias )recuencias modales y la de)ormación est7tica 4astidor de4ajo car&a :til, como los par7metros de res estr tric icci ción ón.. ;na ;na en ca casa sa Có Códi di&o &o +%<# +%<#= = se util utiliz izó ó para para lle/ lle/ar ar a ca ca4o 4o las las carreras de optimización. >asta la reducción de peso del 2? 6ue se lo&ró para la optimi optimizac zación ión con restric estriccio ciones nes de )recu )recuenc encia ia modal modal y la de)or de)ormac mación ión el ahorro de optimización con restricciones schie/ed peso esta4a en el inter/alo de "2 a "0?. Con la reu4icación masi/a, hasta el 1@? se lo&ró la reducción en la de)ormación de la estructura. 9a e/aluación trans/ersal de los datos de espeso espesorr modale modaless analiz analizada adass con con resp respect ecto o estudi estudio o distor distorsi sión ón mostr mostró ó una reducción de peso de 1?, reducción de la )recuencia modal de 1@? y una reducción del 1? en la de)ormación. (ala4 ala4ra rass cla/ cla/e e An7l An7lis isis is de %lem %lemen ento toss Optimización A4re/iaturas Centro de &ra/edad C+ % %lementos initos +A Al&oritmo +entico
init initos os,,
Al&o Al&ori ritm tmos os +en +enti tico cos, s,
#(C punto :nico de restricción +%<#= &entica Dimensionamiento 1.
re6uisitos, el em4alaje y el costo. Con tantos competir re6uisitos, el uso de modelos matem7ticos proporciona unos medios adecuados para la e/aluación del dise5o y mejora. Al&oritmos, muy adecuado para la optimización multiI constre5ida, puede ser aplicado con Hito para tales dise5os para lle&ar a m7s se&uro dise5os estructurales con mayor rendimiento y menor el peso y el coste total. 1.1 Optimización 9a optimización es un procedimiento de encontrar y comparar soluciones )acti4les hasta 6ue no hay mejor solución se puede encontrar. Cuando un pro4lema de optimización consiste en un solo o4jeti/o )unción, la tarea de encontrar la solución óptima se llama optimización de o4jeti/o :nico. Cuando una optimización pro4lema est7 relacionado con m7s de un o4jeti/o, la tarea de la 4:s6ueda de uno o m7s óptima solución se conoce como multi optimización o4jeti/o. 1. Mtodos de optimización Al&unos de los al&oritmos desarrollados para la optimización son a' 4asado en el al&oritmo de &radiente 4' al&oritmo 4asado heurstico c' al&oritmo determinista d' al&oritmo estoc7stico e' 9os al&oritmos e/oluti/os esto incluye al&oritmos &enticos, estrate&ia de e/olución, la pro&ramación e/oluti/a y &entica de pro&ramación. >asta hace poco, los estudios de optimización relacionados in/olucrados encontrar un /alor óptimo en presencia de restricciones. M7s atención se centró en los aspectos teóricos de optimalidad, prue4as de con/er&encia y optimización de propósito especial al&oritmos para pro4lemas no lineales, tales como n:mero entero pro&ramación, pro&ramación din7mica, &eomtrico pro&ramación, pro&ramación estoc7stica etc. insuciente se hizo hincapi en la optimización multiIo4jeti/o. %s por6ue la mayora de los casos de estudio de optimización multiIo4jeti/o e/itar las complejidades in/olucradas en un
/erdadero o4jeti/o m:ltiple pro4lema de en una :nica )unción o4jeti/o mediante el uso de al&unos denidos por el usuarioIpar7metros. 9as teoras y los al&oritmos para un solo o4jeti/o la optimización se puede aplicar a la optimización de la trans)ormado )unción o4jeti/o :nico. #in em4ar&o, hay una di)erencia )undamental entre el o4jeti/o :nico y multi optimización 6ue se i&nora cu7ndo se utiliza la trans)ormación mtodo. (or ejemplo, )rente a dos opciones óptimas, 1 y , mientras 6ue la selección de un coche para comprar, si uno est7 dispuesto a sacricar costar hasta cierto punto de la solución 1, uno puede encontrar pro4a4lemente otro coche con un mejor ni/el de comodidad de esta solución. A6u, el &rado de sacricio en el costo se relaciona con la &anancia en comodidad. Del mismo modo, la posi4ilidad de la eHistencia de un conjunto de soluciones óptimas 1, , A, B y C, donde una &anancia en uno llamadas o4jeti/as para un sacricio en el otro o4jeti/o, eHiste. K, para la correcta toma de decisiones, el conocimiento de tales m:ltiples soluciones óptimas deri/adas de las compensaciones entre o4jeti/os en conGicto, es importante.
de dise5o. #encillo +A es potente, eciente y ro4usto para estructural pro4lemas de dise5o. 1.3 Era4ajo de Al&oritmos +enticos A +A comienza mediante la creación de una po4lación inicial aleatoria. %lla a continuación, crea una secuencia de nue/as po4laciones. %n cada paso, el al&oritmo utiliza los indi/iduos de la actual &eneración de crear la si&uiente po4lación. (ara crear la nue/a po4lación, el al&oritmo realiza los si&uientes pasos. (untuaciones de ella cada miem4ro de la po4lación actual calculando su aptitud /alor. 9ue&o se escala las puntuaciones de tness primas para con/ertirlas en un inter/alo m7s :til de /alores. A continuación, los miem4ros, llamados padres, se seleccionan en )unción de su aptitud. Al&unas de los indi/iduos de la po4lación actual, 6ue tienen menor aptitud, se eli&en como lite. %stos indi/iduos de lite se pasan a la si&uiente po4lación. A partir de los padres los ni5os son ya sea por hacer cam4ios al azar a un padre solo, mutación o por la com4inación de las entradas del /ector de un par de los padres de cruce. %l al&oritmo a continuación, reemplaza la po4lación actual con el ni5os para )ormar a la próHima &eneración. %ste proceso contin:a hasta 6ue uno de los criterios de detención especicadas se cumple $i&ura 1'. . O(EM=ACF< D% C>A## *educir al mnimo el peso de un automó/il siempre ha sido, y si&ue siendo, un o4jeti/o para los )a4ricantes de automó/iles.
>i&o. 1 (asos en un (roceso de Optimización Basado +A %structura de chasis siendo uno de los componentes m7s pesados de una automó/il siempre ha atrado la atención de los dise5adores en 4usca de potenciales ahorros de peso. Disponi4ilidad de una mejor al&oritmos de optimización y potencia de c7lculo ha permitido dise5adores para analizar la estructura del chasis en m7s detalles y lle&ar a los dise5os 6ue son m7s li&eros toda/a satis)acer la los criterios de rendimiento. (ara cual6uiera 6ue est in/olucrado en el dise5o de un tipo de escalera estructura del chasis, la pu4licación por *ichard 9 %Hler N1 proporciona una eHcelente /isión de cómo /arios estructural miem4ros de di)erentes )ormas y tama5os cuando se ponen juntos en un chasis cumple con los re6uisitos de transporte de car&a y ri&idez. %l documento tam4in identica las )ortalezas y de4ilidades de /arios miem4ros de &uiar para la optimización ejercicio. *e)erencias N a N0 tam4in proporcionan una amplia in)ormación so4re el dise5o del chasis del automó/il y rendimiento. %dmund . +aLney et al N han eHplicado la metodolo&a de dise5o para la órmula #A% suspensión y el marco dise5o I una metodolo&a 6ue a4orde la necesaria compromiso entre ri&idez, peso y em4alaje restricciones. Juan (a4lo 9ei/a N@ ha descrito el uso de +%<%## pro&rama para resol/er pro4lemas de optimización estructural de dise5os de automó/iles. %n este tra4ajo la capacidad de +%<%## en la solución de los di)erentes tipos de pro4lemas estructurales y lle/ar a )uera el tama5o, la )orma y la optimización de la topolo&a han sido de4idamente demostrado. Capacidad de +%<%## en la optimización de la estructura del chasis camioneta compuesto tiene ha utilizado en el tra4ajo por oppe et al N11 han eHplicado optimización multidisciplinar sistemas $MDO' y re6uisitos para la carrocera de un automó/il. %ste documento reco&e ejemplos de optimización de coche lleno de accidente y de la car&a de casos, los sistemas de retención y protección de los peatones .. %l o4jeti/o del en)o6ue de optimización multidisciplinar es
considerar todas las disciplinas participantes 6ue est7n deniendo las restricciones en el dise5o en un procedimiento de optimización numrica :nica. %l documento tam4in pone de relie/e en los par7metros 6ue de4en controlarse cuidadosamente antes de poder iniciar un multidisciplinario optimización ya 6ue tienen una &ran inGuencia en la estrate&ia apropiada. ". AA## ;n chasis del /ehculo est7 dise5ado para transportar la car&a :til, pesos de otros componentes estructurales montados en l y car&as instant7neas como &randes 4aches, 4aches, 4ordillos &randes &olpes, )renado de p7nico, de alta R&R en las cur/as, tren de alta potencia par, etc. %l chasis tiene 6ue soportar y dar adecuada rendimiento 4ajo todas estas condiciones de car&a. el chasis ri&idez y )recuencias naturales /aran de acuerdo a la car&a distri4ución en un chasis 4ajo car&a mencionada condiciones. %l re6uisito instant7nea de chasis es )uerza, otros re6uisitos de rendimiento como la )recuencia, la distorsión se consideran para el chasis. %l o4jeti/o del proyecto es lle/ar a ca4o un an7lisis del dise5o del chasis actual, y el tama5o de comida para lle/ar optimización de )recuencias modales y la distorsión. 9a &eometra del chasis utilizado se o4tu/o de Mahindra S Mahindra 9td. ;n modelo de elementos nitos de la &eometra era desarrollado usando >yperMesh / @.2 N1. MC# T
C+ del motor - transmisión, C+ del radiador, C+ del tan6ue de com4usti4le >i&o. ". Masa Distri4ución en chasis (ara el an7lisis est7tico, el modelo )ue limitado en el eje puntos centrales 6ue utilizan *estricciones ndi/idual (oint $#(C', como se muestra en la &ura 3. %n la &ura, el n:mero 1, y " indican limitaciones en $a lo lar&o de la lon&itud del chasis', K $hacia el lado derecho del chasis' y = $direcciones /erticales' respecti/amente. >i&o.
>i&o. 3 9as limitaciones de )rontera aplicados para la est7tica an7lisis +ra/ity $peso propio' y aceleración $car&as 4ache y car&as en las cur/as' se aplicaron como )uerzas de cuerpo a la modelo. #e utilizaron car&as de aceleración de las cur/as /erticales y 1& "& en el an7lisis est7tico. (ara el an7lisis modal, modelo % sin restricciones y car&as #e utilizó $i&ura '. (ara el an7lisis est7tico, modelo % con toda #e utilizó las masas, car&as y limitaciones. %VA9;ACF< D% D#%WO 3. (;
>i&o. 3 9as limitaciones de )rontera aplicados para la est7tica >i&o. 0 lu&ares utilizados para la medición de Distorsiones %l an7lisis modal para el chasis se lle/ó a ca4o para condición de li4re li4re y sin componentes como el radiador, motor, la transmisión, BU, suspensión, etc. %l depósito de com4usti4le primeros cinco )recuencias de la estructura, los /alores de re)erencia, son ta4ulados en la Ea4la 1 a continuación. 9os modos de )ormas correspondientes a las tres primeras )recuencias se presentan en 9as &uras a P. A partir del an7lisis est7tico de la eHistente estructura, las distorsiones en seis lu&ares identicados en l #e o4tu/ieron estructura y se utiliza como un par7metro de lnea de 4ase para la e/aluación de dise5os optimizados. 9os /alores de distorsión son se muestra en la Ea4la . Table 1 Natural Frequencies of Baseline Design
Mode
re6uency, >z
1
.3
".1
"
".0
3
3.0
0
0".0
Fig. 6 First Moe of Baseline Design "econ Moe of Baseline Design
Fig. !
0. O(EM=ACF< 0.1 +%<#= +%<#= es un pro&rama de optimización de tama5o por escrito en el idioma +aXY /ers7til. +%<#= utiliza la &entica modelo de al&oritmo para el proceso de optimización. +%<#= opera el solucionador de %, M#C T %99'. 9iner, materiales isótropos. M#C T
i&. +%<#= Operación 0. Eama5o Optimización de los componentes del chasis %l modelo % del chasis se su4 di/ide en 2 &rupos $(I&rupos', como se muestra en la i&ura 12 de manera 6ue di)erentes espesor se pueden asi&nar a los componentes de di)erente &rupos. (ara el propósito de la optimización, el espesor y in)ormación de /ariación de espesor se introduce en el archi/o +%
