El alumno Xuban Telleria Ariztimuño obtuvo la calificación SOBRESALIENTE con mención ‘CUM LAUDE’

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El alumno Xuban Telleria Ariztimuño obtuvo la calificación SOBRESALIENTE con mención ‘CUM LAUDE’

TESIS

El alumno Xuban Telleria Ariztimuño obtuvo la calificación SOBRESALIENTE con mención ‘CUM LAUDE’

31·03·2022

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Título de tesis: Development of a Novel Surrogate Modelling Technique and a Robust CAD-CAE template Association Procedure for the Design and Assessment of Scalable Mechanical Product Families.

Tribunal:

  • Presidencia: Germán Castillo López (Universidad de Málaga)
  • Vocalía: Jorge Dorribo Camba (Purdue University)
  • Vocalía: Malek Ben Salem (ANSYS)
  • Vocalía: Ibai Ulacia Garmendia (Mondragon Unibertsitatea)
  • Secretaría: Iñigo Llavori Osa (Mondragon Unibertsitatea)

Resumen:

Muchas empresas optan por desarrollar productos personalizados como estrategia de mercado. Sin embargo, el desarrollo de este tipo de productos suele ser un proceso extenso en el tiempo y costoso económicamente, por lo que las empresas buscan constantemente reducir sus costes y agilizar el proceso. En este sentido, desarrollar familias de productos es una de las estrategias más extendidas, la cual trata de generar distintas referencias de productos de forma eficiente, modificando la plataforma de producto. Las familias basadas en el escalado de las dimensiones son particularmente útiles para el desarrollo de familias de productos mecánicos, debido a que las dimensiones juegan un papel fundamental en la integridad estructural y funcionalidad de este tipo de productos. Sin embargo, cuando las familias son extensas, puede que algunas de las referencias de la familia nunca sean solicitadas por ningún cliente, perdiendo el tiempo y dinero invertido en el desarrollo de estos productos. Para evitar diseñar productos innecesarios, muchas compañías optan por seguir la estrategia conocida como “Modify To Order” (MTO) en el proceso de diseño-entrega del producto, la cual consiste en diseñar únicamente los productos solicitados por el cliente. Aun así, todas las tareas que se realizan tras el “Order Penetration Point” (OPP) afectan directamente al tiempo de entrega del producto en este tipo de estrategias. En cuanto a las tareas de diseño que se realizan tras el OPP, dos de las que más ralentizan el proceso de diseño de productos mecánicos son: (i) la naturaleza iterativa del proceso de diseño durante el escalado de la familia, y (ii) el tiempo de verificación requerido para asegurar el adecuado funcionamiento y la integridad estructural del producto solicitado.

El uso de reglas de escalado no representativas en el proceso de diseño de familias de productos mecánicos potencia el aumento de iteraciones en el diseño. Estas reglas pueden definirse de forma representativa siguiendo la teoría de la mecánica de materiales, aunque su implementación se complica en casos de geometrías complejas. Por ello, el uso de técnicas de modelización subrogada es común en problemáticas complejas. Existe un amplio abanico de tipos de modelos subrogados, las cuales pueden configurarse de diversos modos. De todas formas, la precisión del modelo es altamente afectado por la elección del tipo de modelo y su configuración. Además, la elección del modelo óptimo se condiciona por el nivel de no- linealidad del caso de estudio. Por esta razón, diversos autores proponen evaluar distintos tipos de modelos con distintas configuraciones para identificar un modelo representativo para su caso. Sin embargo, este es un proceso costoso y engorroso.

En cuanto al segundo factor se refiere, es habitual que los clientes exijan a las empresas la veracidad sobre la integridad estructural y el funcionamiento del producto mecánico encargado. En especial cálculos de elementos finitos mediante modelos CAE. Estos modelos se definen mediante plantillas CAD-CAE en la industria para agilizar el proceso de análisis, o incluso también se llegan a automatizar por completo en algunos casos. Por lo tanto, las entidades geométricas que utiliza el modelo CAE para definir las zonas de contacto, las condiciones de contorno, las cargas, y las zonas locales de mallado, entre otros, se asignan a atributos creados en la plantilla CAD. De todas formas, las posibles alteraciones topológicas generadas en el proceso de escalado de la plantilla CAD pueden llegar a corromper la asignación de las entidades geométricas en los atributos y por consiguiente corromper el modelo CAE. En este caso es necesario redefinir el modelo CAE, ralentizando el proceso de verificación del producto, y limitando la implementación de procesos completamente automatizados.

Por lo tanto, en esta tesis doctoral se proponen dos técnicas para agilizar el proceso de diseño de familias de productos mecánicos escalables:

  • Un nuevo tipo de modelo subrogado capaz de generar predicciones representativas con una única configuración en casos de estudio con distintos niveles de no- linealidad, reduciendo así el número de iteraciones de diseño a un valor cercano a cero, o cero.
  • Un procedimiento manual y otro automatizado para definir atributos en plantillas CAD que no consiguen no corromper la asignación geométrica en los atributos al sufrir cambios topológicos, eliminando así la redefinición de modelo CAE.

La técnica de modelos subrogados y los procedimientos manuales y automatizados propuestos han sido validados en distintos casos de estudio:

  • La técnica de modelización subrogada ha sido validada en seis casos de estudio con distintos niveles de no-linealidad (2 bajos, 2, medios, y 2 altos). Además, el modelo se ha comparado don 14 configuraciones de 8 tipos de modelos subrogados ampliamente utilizados en la bibliografía. Los resultados obtenidos demuestran que el error se mantiene estable independientemente del nivel de no-linealidad del caso de estudio, ofreciendo reglas de escalado representativas.
  • El procedimiento manual y el automatizado para prevenir la corrupción de los atributos debido a los cambios topológicos sufridos, han sido validados en otros seis casos de estudio, los cuales se clasifican en tres grupos: (i) alteraciones topológicas a causa de modificaciones dimensionales, (ii) modificaciones topológicas creadas por modificar patrones CAD, y (iii) modificaciones topológicas causadas por cambiar el estado de activación de objetos CAD. Los resultados muestran que los atributos no se corrompen siguiendo los procedimientos propuestos.

Por último, las técnicas propuestas han sido implantadas en el proceso de desarrollo de una familia de válvula real (familia slab API 17D). La implementación de las técnicas ha sido validada de la siguiente manera: (i) el comportamiento de cuatro válvulas generadas mediante reglas de escalado determinadas por el modelo propuesto han sido evaluadas mediante modelos FEM de alta fidelidad, (ii) se ha analizado la corrupción de atributos en cinco casos problemáticos identificados en cuatro válvulas distintas. Los resultados obtenidos demuestran que: (i) las reglas de escalado determinadas por el modelo propuesto han sido capaces de reducir a cero el número de iteraciones de diseño en el proceso de escalado, y (ii) la corrupción de atributos se ha resuelto con las técnicas propuestas en todos los casos.