Optymalizacja topologii zapewnia rozwiązania większości typowych problemów inżynierskich. Dowiedz się, co to jest, jak działa i dlaczego warto jej używać!
Mniej znaczy więcej
Optymalizacja topologii (TO) to algorytmiczny proces optymalizacji komponentu lub części mechanicznej, zwykle poprzez redukcję materiału. Jest to obliczane na podstawie naprężeń mechanicznych, na jakie obciążenia część będzie narażona podczas normalnej eksploatacji. TO można sklasyfikować jako podkategorię optymalizacji strukturalnej.
W TO chodzi przede wszystkim o wydajność i efektywność. Jest to matematycznie rozwiązanie jeden z najczęstszych problemów inżynieryjnych: jak wykonać część wystarczająco mocną przy użyciu najmniejszej ilości materiału, zmniejszając w ten sposób koszty. Z tego powodu jest używany w wielu sektorach przemysłu, ale szczególnie w przemyśle lotniczym, gdzie niezbędna jest redukcja wagi.
W świecie druku 3D optymalizacja topologii jest narzędziem projektowym stojącym za tymi dziwnie ukształtowanymi komponentami, które mogłeś zauważyć. Jeszcze do niedawna TO było dostępne tylko za pośrednictwem kosztownych programów przeznaczonych do zastosowań profesjonalnych. Wraz z rosnącym wpływem ruchów open source i maker, niektóre z tych narzędzi są teraz znacznie bardziej dostępne.
W tym artykule zajmiemy się analizą narzędzi do optymalizacji topologii, w tym h aplikacji, a także niektórych popularnych programów wykorzystujących tę metodę. Ale najpierw przyjrzyjmy się głębiej, jak TO działa .
Jak to działa
Chociaż istnieje wiele różnych metod optymalizacji topologii, być może najbardziej praktyczne są techniki oparte na FE. FE oznacza element skończony, który odnosi się do metody elementów skończonych (MES), kolejnej potężnej metody numerycznej szeroko stosowanej do rozwiązywania problemów matematycznych i inżynierskich. To podstawa oprogramowania do symulacji wspomaganej komputerowo (CAE), które znamy i używamy obecnie.
Algorytm stale ocenia rozkład naprężeń strukturalnych podczas dystrybucji materiału, aby ocenić wynikowe efekty. Odbywa się to poprzez wiele indywidualnych kroków, aż do uzyskania stabilnych geometrii zgodnie z wcześniej ustalonymi obciążeniami
Narzędzia do optymalizacji topologii są zazwyczaj stosowane w dwufazowym procesie projektowania. Pierwszy przejazd jest zwykle wykonywany w celu uzyskania wglądu w optymalną geometrię i poprowadzenia użytkownika w kierunku najlepszego możliwego projektu. Drugi przebieg jest bardziej asertywny, jeśli chodzi o detalowanie części końcowej. Podejście to okazało się bardzo efektywne czasowo, choć czas jest tylko jedną z wielu zalet tego procesu.
Zalety
Teraz, gdy nieco bardziej zrozumieliśmy TO, zwróćmy uwagę na powody: jakie są prawdziwe zalety korzystania z optymalizacji topologii?
Redukcja zużytego materiału
Każda mechaniczna część lub komponent potencjalnie waży więcej niż musi, chyba że został zoptymalizowany topologicznie. Lekkie konstrukcje nie tylko zmniejszają koszty materiałów, ale także ograniczają zużycie zasobów produkcyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, lżejsze części ruchome generują mniejsze tarcie i wymagają mniej energii do wprawienia w ruch. Ponadto łańcuch dostaw jest również korzystny, ponieważ lżejsze części są łatwiejsze i tańsze w transporcie.
Skrócony proces projektowania
Metody optymalizacji topologii radykalnie zmniejszają koszty inżynierskie związane z nowymi częściami i rozwojem produktu. Zautomatyzowany proces jest w stanie wyprodukować znacznie lepsze części w ułamku czasu, jaki mógłby wykonać doświadczony zespół projektantów. To powiedziawszy, TO jest tylko narzędziem numerycznym, którego użycie wciąż wymaga znacznej ilości ludzkiej wiedzy.
Maksymalna wydajność
Optymalny projekt danej części często nie jest intuicyjny i zwykle obejmuje złożone i organiczne kształty. Algorytmy optymalizacji topologii nie uwzględniają aspektów takich jak estetyka i naruszają powszechne zasady projektowania (takie jak jednolita grubość) na korzyść wydajności. TO wykorzystuje również nowe procesy produkcyjne, takie jak wytwarzanie przyrostowe i drukowanie 3D.
Tak naprawdę optymalizacja topologii idzie w parze z drukowaniem 3D. Złożone geometrie wynikające z metod TO można wytwarzać tylko w procesach wytwarzania przyrostowego, podczas gdy tradycyjne praktyki projektowe nie są w stanie w najlepszy sposób wykorzystać swobody projektowej zapewnianej przez te nowe procesy. Wynika z tego, że wraz z postępem w przemysłowych procesach wytwarzania przyrostowego coraz większą uwagę poświęca się optymalizacji topologii.
Oprogramowanie
Wszystkie skomplikowane obliczenia związane z optymalizacją topologii są wykonywane przez specjalne oprogramowanie, które zwykle wymaga do pracy platformy 3D MES. Te narzędzia mogą być samodzielnymi programami lub modułami zintegrowanymi z CAD.
Jednym pierwszych modułów TO był OptiStruct firmy Altair dla Hyperworks. Narzędzie to po raz pierwszy pojawiło się na rynku w 1994 roku, a jego pierwszym klientem był dział General Motors Powertrain. Innym ważnym graczem w optymalizacji topologii jest Dassault Systèmes, obecnie odpowiedzialny za wiele modułów TO, takich jak Tosca i ATOM dla Abaqus.
Niektóre popularne programy CAD, takie jak Solidworks i Creo, mają wbudowane narzędzia do optymalizacji konstrukcji w swoich modułach symulacyjnych. Narzędzia te, chociaż nie są tak solidne, jak możliwości samodzielnego oprogramowania TO, stanowią świetne narzędzia pomocnicze, które zapewniają projektantowi znaczący wgląd w projektowanie
Zastosowania lotnicze
Nie moglibyśmy zakończyć bez zbadania rzeczywistego zastosowania TO. Chociaż sektor motoryzacyjny ma prawdopodobnie największą liczbę zoptymalizowanych topologicznie części, spójrzmy zamiast tego na przykład z przemysłu lotniczego, gdzie części mechaniczne są poddawane znacznie większym naprężeniom i trudniejszym warunkom.
Proces projektowania opadających dziobów Airbusa A380 jest dobrze znany entuzjastom inżynierii, ponieważ był to pierwszy poważny sposób zastosowania optymalizacji topologii. Ta część konstrukcja została zoptymalizowana we współpracy z Altair i podobno pozwoliła zaoszczędzić ponad 500 kg na samolot.
Optymalizacja przebiegała zgodnie z dwufazowym procesem, który opisaliśmy wcześniej, i co ciekawe, główne oszczędności zostały podobno osiągnięte podczas pierwszego wstępnego przebiegu. Inne przykłady lotnictwa obejmują wspornik zawiasu gondoli Airbusa A320, który jest odpowiedzialny za podnoszenie ciężarów podczas
Teraz, gdy następnym razem będziesz patrzył na ten samolot, będziesz wiedział, że te dziwnie wyglądające części są celowo zaprojektowane
Żródło: https://all3dp.com/
