El proceso de diseño estructural es básicamente igual que el que se presenta en la sección 2.5. Se presenta el contenido diferente con respecto al proceso de diseño anterior y se mencionan las herramientas asistidas por computadora que se utilizan en ciertas etapas:
1.- Reconocimiento de una necesidad.
El proceso de diseño comienza con el reconocimiento de una necesidad en cierto producto o proceso que se plantea como una deficiencia.
2 y 3.- Definición del problema y Síntesis.
En la parte de las restricciones se considera la parametrización geométrica para tener los objetivos definidos respecto a la geometría. La geometría como el material, son elementos básicos con los que se debe trabajar durante el análisis y el proceso de diseño estructural. La parametrización geométrica determina el tipo de cambios en la geometría que se describen por la variable de diseño X. Las formas en que se manejan las variables de diseño en los problemas estructurales son varias, pero en esta investigación se describen tres tipos de parametrización:
Tamaño, forma y topología.
Tamaño
La geometría de un producto se expresa en términos de los valores de dimensiones.
La parametrización de la variable de diseño X se implica exclusivamente en las dimensiones que describen el producto geométrico. Limitada a los detalles del diseño en la afinación de la geometría del producto. La optimización estructural basada en mediciones se realiza a través los rasgos obtenidos de la variación geométrica factible de realizar en software CAD. [18].
Forma
La geometría del producto se expresa en términos de parámetros curvas y superficies que permiten mayor libertad de aplicación, mientras la topología permanece constante.
Utilizando principalmente para representar geometría de productos con bordes externos de niveles de superficie regulares.
La parametrización de forma permite los cambios en los bordes de la geometría del producto, que típicamente se presentan como parámetros sencillos de curvas. Desde que la geometría del producto puede cambiar drásticamente durante el proceso de optimización el remallado automático de los modelos de elemento finito es usualmente requerido.
Una optimización estructural que se basa en la parametrización geométrica de Forma, se clasifica en [19]:
TIPO: Manipulación directa de geometría.
La variable de diseño X es un vector de parámetros que directamente define los bordes de la geometría del producto, el control de puntos en la superficie.
TIPO: Manipulación de Aproximación indirecta de geometría.
La variable de diseño X es un vector de parámetros que indirectamente define los bordes de la geometría del producto.
En la representación del diseño de elementos, la geometría del producto es parametrizada y los bordes elementos de diseño se representan por nodos claves y por la interpolación de funciones.
El método representativo de la Manipulación de Aproximación indirecta de geometría es el “Método Natural de la variable de diseño” donde según Belegundu y Rajan [20] se aplica una carga ficticia a los bordes de la geometría del producto como las variables de diseño, para que en cada iteración se obtengan nuevos bordes y se registre el desplazamiento, que es calculado por el método del
elemento finito y así el nuevo borde sea de mejores niveles de superficie regulares. Aunque es más complicado plantear las restricciones de los bordes del producto con la manipulación de aproximación indirecta que en el de Manipulación directa de geometría, pues la carga ficticia es la represtación de las restricciones y se complica. El “Método Natural de la variable de diseño” se ha implementado en muchos software comerciales como NATRAN [21], GENESIS [22].
Ahora bien como una combinación de estos dos, de una manipulación de aproximaciones directa con indirecta Azegami [23] propone un método Tracción donde la sensibilidad de los bordes se remplaza rápidamente por los cambios de los bordes en respuesta a las cargas ficticias que deforman la forma original, remplazando al objetivo definido para la forma por los bordes de sensibilidad nuevo que se obtiene. Con este reemplazo ahora los niveles regulares del borde pueden alcanzarse por la manipulación directa de los bordes del producto.
Topología
La optimización topológica busca tener la máxima razón posible de rigidez entre el volumen de la geometría analizada, y consiste en quitar los elementos que se encuentren sujetos a Bajos niveles de esfuerzos en la geometría analizada.
Permite el cambio en la topología más allá de la de forma así que “huecos” u hoyos pueden ser ubicados dentro de la geometría del producto. Debido a que una cantidad de libertad del diseño y la dificultad de representar los detalles de la geometría del producto, la parametrización topología es generalmente adecuada para el rediseño de concepto de diseño, mientras que la parametrización de las mediciones y la forma son más factibles para el entender el diseño y los detalles de diseño [18]. En el capítulo 5 se explica más detalladamente a través de un caso de aplicación.
4.-Análisis y Optimización
En la parte de análisis se busca crear una población de diseño para comprender el comportamiento de los objetivos y las restricciones poder elegir después que método de investigación es el más adecuado de utilizar.
La optimización estructural es la optimización de problemas donde la evaluación de una función objetivo o restricción requiere del uso de un análisis estructural. Para el planteamiento:
Función objetivo = Minimizar y/o Maximizar
f(x) cuenta con elementos como: material la geometría definida bajo cargas determinadas.
Pueden ser las dimensiones, el peso, o condiciones de esfuerzo y restricciones de dimensiones de un producto.
Domino del la variable de diseño =X
ɽ
D Variable de diseño = XLa variable de diseño x es un vector de parámetros que describen la geometría de un producto y determina con que tipo de dominio se trabaja:
Dtipo continuo Dtipo discreto
Desde que la optimización es un proceso iterativo la función objetivo f(x) y las funciones de restricción requieren ser evaluadas varias veces para obtener una solución. Los métodos de aproximación que se pueden trabajar a través de la ingeniería Asistida por computadora ya que reducen los costos de análisis durante la optimización de iteración. El tiempo requerido depende del número de iteraciones. Esto es significativamente importante en el desarrollo de un producto ya que el tiempo de cómputo de la optimización estructural es todavía visto como un obstáculo contra la aceptación de la industrial [24].
Existen varios métodos de aproximación pero para este trabajo sólo se menciona el método de Reanálisis aproxima el resultado del análisis de un nuevo diseño al del análisis del diseño actual. La optimización de algoritmos y la iteración, permiten ligeras modificaciones del diseño actual, y el método de Reanálisis y han reducido adecuadamente el costo de los análisis estructurales. Ahora bien, la optimización algorítmica se analiza con la clasificación de Optimización de Fiabilidad y robustez además porque f(x) y g(x) son muchas de las veces no lineales a X, pues pueden existir efectos o interacciones entre ellas mismas y cuando X no es continua, se utilizan los algoritmos genéticos ya que pueden ser utilizados para las variables de problemas tanto continuas como discretas [18]. En la sección 2.9 se presenta una explicación de lo que es el diseño Robusto.
5.- Evaluación
La evaluación de optimización permite conocer y entender los requerimientos de diseño y es otra parte elemental del proceso de diseño, ya que generalmente se presentan las interacciones entre el factor desempeño y de los “objetivos” de del diseño. La evaluación de la Optimización permite obtener los requerimientos de entrada que el humano plantea, y básicamente la evaluación presenta la conclusión que resultó del “trade off” o contraposición entre algunos objetivos de las variables de diseño.
6.-Presentación
Donde se muestra la solución del problema de diseño y se explica el significado de la aportación que esta tiene. Es la responsabilidad de ingeniero de diseño el definir y presentar la secuencia de evaluación que se siguió en cada etapa del proceso.