Anàlisi de rigidesa global estàtica i dinàmica per al predissenyo d'automòbils

Fabiola Cavaliere

Díez Mejía, Pedro Zlotnik, S.

Per ser competitiva a nivell mundial, la indústria de l'automòbil s'enfronta al repte constant de produir vehicles de més qualitat en el menor temps possible i amb els costos de producció mínims. La majoria dels problemes amb els nous productes deriven de processos de disseny de mala qualitat, cosa que sovint condueix a problemes no desitjats en una etapa on els canvis són extremadament cars. Durant la fase de disseny preliminar, els dissenyadors han de fer front a problemes paramètrics complexos on es desconeixen les característiques materials i geomètriques dels components del cotxe. Qualsevol canvi en aquests paràmetres pot afectar significativament el comportament global del cotxe. Un objectiu molt sensible a petites variacions dels paràmetres és la resposta al soroll i la vibració del vehicle (estudi NVH), que depèn estrictament de la seva rigidesa estàtica i dinàmica global. Per trobar la solució òptima, cal provar moltes configuracions que exploren totes les combinacions paramètriques possibles. L'estat actual de la tècnica en el context del disseny d'automòbils encara es basa en simulacions numèriques estàndard, que són computacionalment molt cares quan s'apliquen a aquest tipus de problemes multidimensionals. Com a conseqüència, normalment s'analitza un nombre limitat de configuracions, cosa que porta a productes subòptims. Una alternativa la representen les tècniques del mètode d'ordre reduït (ROM), que es basen en la idea que el comportament essencial dels sistemes complexos es pot descriure amb precisió mitjançant models simplificats de baix ordre. Aquesta tesi proposa una nova extensió del mètode de descomposició generalitzada adequada (PGD) per optimitzar el procés de disseny d'una estructura de cotxe respecte a les seves propietats de rigidesa estàtica i dinàmica globals. En particular, el mètode PGD s'acobla a la tècnica d'alleujament d'inèrcia (IR) i al mètode de potència inversa (IPM) per resoldre, respectivament, l'anàlisi paramètrica de rigidesa estàtica i dinàmica d'una estructura de cotxe sense restriccions i extreure les seves propietats de soroll i vibracions. Un avantatge principal és que, a diferència de molts altres mètodes ROM, l'enfocament proposat no requereix cap fase de preprocessament per recopilar coneixements previs de la solució. A més, la solució PGD es calcula amb només un càlcul fora de línia i presenta una dependència explícita de les variables de disseny introduïdes. Això permet calcular les solucions a un cost computacional insignificant i, per tant, obre la porta a estudis d'optimització ràpids i visualitzacions en temps real dels resultats en un rang de paràmetres predefinit. També es proposa un nou enfocament algebraic que permet involucrar tant paràmetres materials com geomètrics complexos, de manera que es puguin realitzar estudis d'optimització de forma. A més, el mètode es desenvolupa en un format no intrusiu, de manera que és possible una interacció amb programari comercial, cosa que el fa particularment interessant per a aplicacions industrials. Finalment, per tal de donar suport als dissenyadors en el procés de presa de decisions, es desenvolupa una aplicació d'interfície gràfica que permet visualitzar en temps real com els canvis en les variables de disseny afecten quantitats d'interès predefinides.

El mètode presentat s'ha desenvolupat i provat amb èxit en un cas d'estudi simplificat durant el programa de doctorat. El soci industrial, SEA T SA, va contribuir activament a definir el problema industrial i va mostrar un entusiasme i un interès constants pels resultats obtinguts. Com a confirmació de l'èxit d'aquest treball, el passat juliol de 2022 el soci industrial em va donar l'oportunitat d'unir-me a l'empresa com a nou empleat per tal d'escalar el mètode a aplicacions reals i incloure'l en el flux de treball actual de SEA T. El projecte es troba en una fase de "Prova de concepte". Des del punt de vista metodològic, l'aplicació del mètode a models reals de vehicles és senzilla i tenim previst obtenir resultats preliminars en els propers sis mesos.

Indústria de l'automòbil; Vehicles de qualitat; Costos de producció; Processos de disseny de qualitat; Fase de disseny preliminar; Problemes paramètrics complexos; Característiques dels materials; Característiques geomètriques; Components del cotxe; Comportament global del cotxe; Resposta al soroll i la vibració (Estudi NVH); Rigidesa estàtica global; Rigidesa dinàmica global; Solució òptima; Combinacions paramètriques; Simulacions numèriques; Computacionalment costós; Problemes multidimensionals; Productes subòptims; Tècniques del mètode d'ordre reduït (ROM); Models simplificats de baix ordre; Mètode de descomposició generalitzada adequada (PGD); Optimitzar el procés de disseny; Estructura del cotxe; Tècnica d'alleujament d'inèrcia (IR); Mètode de potència inversa (IPM); Anàlisi de rigidesa estàtica paramètrica; Anàlisi de rigidesa dinàmica paramètrica; Estructura del cotxe sense restriccions; Propietats del soroll i les vibracions; Sense fase de preprocessament; Coneixement previ de la solució; Un càlcul fora de línia; Dependència explícita; Variables de disseny; Cost computacional insignificant; Estudis d'optimització ràpida; Visualitzacions en temps real; Rang de paràmetres predefinit; Nou enfocament algebraic; Paràmetres del material; Paràmetres geomètrics complexos; Estudis d'optimització de formes; Format no intrusiu; Interacció de programari comercial; Aplicacions industrials; Aplicació d'interfície gràfica; Procés de presa de decisions; Magnituds d'interès.