Topološka optimizacija

Facebook Twitter LinkedIn

Posljednjih godina razvijene su mnoge kompjuterski potpomognute metode kako bi se pronašao optimalni dizajn za problem. Ove inteligentne tehnike omogućile su inžinjerima da kreiraju dizajne koji su bili izvan onoga što smo mogli ručno smisliti. Jedna od ovih metoda je topološka optimizacija.

Topološka optimizacija (TO) je kompjuterski zasnovana metoda projektovanja koja se danas koristi za kreiranje efikasnih dizajna. Oblasti kao što su zrakoplovstvo, građevinarstvo, biohemijsko i mašinsko inžinjerstvo koriste ovu metodu proaktivno za kreiranje inovativnih dizajnerskih rješenja koja će nadmašiti ručne dizajne.

Sadržaj

Šta je topološka optimizacija?

Kako to radi?

Prednosti

Nedostaci

Primjena topološke optimizacije

Proizvodne metode

Softver za topološku optimizaciju

Zaključak

Šta je topološka optimizacija?

Polazna tačka

Topološka optimizacija je matematička metoda koja se koristi na nivou koncepta razvoja dizajna. Cilj ove metode je da se količina prisutnog materijala efikasnije rasporedi po modelu. Uzima u obzir granice koje je postavio dizajner, primijenjeno opterećenje i ograničenja prostora za kreiranje dizajna.

Jednostavno rečeno, topološka optimizacija uzima 3D model i stvara prostor za dizajn. Zatim uklanja ili pomiče materijal unutar njega kako bi dizajn učinio efikasnijim. Prilikom distribucije materijala, funkcija cilja ne uzima u obzir estetiku ili jednostavnost izrade.

Dio nakon toploške optimizacije – određen je položaj rupa zajedno sa opterećenjem

U najmanju ruku, metoda treba da obezbijedi veličinu opterećenja i ograničenja unutar kojih bi trebala funkcionirati. Koristeći ove informacije, algoritam optimizacije kreira mogući put opterećenja koristeći minimalnu količinu materijala.

Kada je dizajn finaliziran, koristimo aditivne (a ponekad i subtraktivne) metode proizvodnje za proizvodnju dijela. Kao što samo ime govori, u aditivnoj proizvodnji (u daljem tekstu AM), materijal se dodaje (npr. 3D štampanje) malo po malo dok se konačni model ne završi.

AM je sposoban za stvaranje složenih oblika i struktura koje može biti izuzetno teško stvoriti drugim metodama. Zato ga preferiramo za kreiranje složenih proizvoda koji nastaju nakon optimizacije.

Dio nakon završnih dorada za proizvodnju

Ponekad je, međutim, dizajn predložen topološkom optimizacijom previše složen čak i za AM. U takvim situacijama pravimo male promjene u dizajnu kako bismo poboljšali njegovu proizvodnost.

Kako to radi?

Topološka optimizacija se provodi na već postojećem modelu. Možemo odabrati optimizaciju cijele komponente ili njenih elemenata. Ovo područje fokusa poznato je kao prostor dizajna.

Topološka optimizacija koristi analizu konačnih elemenata (FEA) za kreiranje jednostavne mreže dizajnerskog prostora. Mreža se analizira na raspodjelu naprezanja i energiju deformacije. Ovo obavještava sistem o količini opterećenja koje različite sekcije rukuju.

Dok će neki dijelovi imati optimalnu distribuciju materijala, bit će i onih koji bi mogli koristiti podrezivanje. Metodom konačnih elemenata obilježavaju se presjeci s niskom energijom deformacije i naprezanjem. Kada se identifikuju svi neefikasni dijelovi unutar dizajnerskog prostora, funkcija cilja postepeno uklanja materijal.

Tokom ovog procesa podrezivanja, sistem će također provjeriti koliko je proces uklanjanja uticao na cjelokupnu strukturu. Ako proces uklanjanja ugrozi njegov integritet, proces se zaustavlja i materijal u tom području se zadržava.

Prije pokretanja TO algoritma, postavljamo količinu materijala koji namjeravamo ukloniti kao postotak ukupnog materijala. Na primjer, možemo postaviti ciljni postotak smanjenja materijala na 50%.

Sistem uklanja višak materijala u fazama. U svakoj fazi, provjerava strukturu za nivoe naprezanja ponavljajući distribuciju elemenata sve dok ne dostigne ciljni postotak.

Prednosti

Topološka optimizacija poboljšava nekoliko izazova istovremeno. Hajde da vidimo koje prednosti TO ima da ponudi.

Kreiranje efikasnih rješenja po pitanju troškova i težine

Najatraktivnija prednost topološke optimizacije je njena sposobnost da smanji nepotrebnu težinu. Optimizacija veličine znači da je potrebno manje sirovina.

Dodatna težina takođe negativno utiče na energetsku efikasnost. Dijelovi će također koštati više za dostavu. Sve ove prednosti se direktno pretvaraju u stvarne uštede troškova što je važno na konkurentnom tržištu.

Sjajan primjer je kako je General Electric koristio TO da smanji težinu nosača motora za 84%. Ova modifikacija je u malom dijelu uštedjela aviokompanijama skoro 31 milion dolara poboljšanjem ukupne energetske efikasnosti.

Brži proces dizajna

Kako se ograničenja dizajna i očekivanja performansi uzimaju u obzir u ranim fazama koncepcije, nije potrebno toliko vremena kao bez TO da se dođe do konačnog dizajna.

Brži proces također znači kraće vrijeme do puštanja na tržište, što je posebno važno za nove proizvode na konkurentnom tržištu.

Održivost

TO sprječava nepotrebno trošenje materijala. Algoritam je sposoban za stvaranje održivih građevinskih sistema dok je još uvijek ukorijenjen u zdravu strukturnu logiku. Također, kao što je ranije spomenuto, topološki optimizirani proizvodi štede gorivo kroz smanjenje težine.

Kako se potražnja za održivim alternativama povećava, sve više i više industrija u proizvodnom sektoru zapošljava TO zbog njegove ekološki prihvatljive prirode.

Nedostaci

Postoje neki problemi topološke optimizacije o kojima moramo znati da bismo ju efikasno koristili. Hajde da vidimo šta su oni.

Ograničenja proizvodnje

Dizajni koje TO ima mogu biti teški za proizvodnju. S obzirom da je AM prilično fleksibilan u pogledu onoga što može proizvesti, još uvijek je potrebno provjeriti proizvodnost prije finalizacije dizajna.

Ako pokušamo riješiti problem topološke optimizacije razmišljajući samo o funkciji, moguće je da ćemo pogriješiti kada je u pitanju kvalitet i efikasnost naše izrade.

Ovdje je vrijedno napomenuti da nekoliko proizvođača softvera nudi funkciju koja se zove proizvodna ograničenja za TO. Stoga je moguće stvoriti dijelove koji se mogu proizvesti samo konvencionalnim metodama.

Visoka cijena

U posljednje vrijeme cijena AM je smanjena, ali je još uvijek za korak iznad tradicionalnih metoda proizvodnje. Moramo razmotriti odnos troškova i koristi od slučaja do slučaja.

Za masovnu proizvodnju, stvaranje kalupa za brizganje je mogućnost. Stoga možemo tražiti dalje od 3D printanja za izradu plastičnih dijelova.

Za uključivanje i isključivanje nekoliko komponenti, AM bi se mogao pokazati skupim, što je u većini slučajeva odvraćajuće jer je investicija prevelika. U takvim će slučajevima biti korisnije prepustiti proizvodnju kompaniji koja pruža usluge 3D printanja.

Primjena topološke optimizacije

Mnoge industrije sada traže napredne metode dizajna kao što su topološka optimizacija i generativni dizajn. Iako proizvodnja dijelova može biti skuplja, postoje važne prednosti u ponudi.

Zračna, medicinska i automobilska industrija su neke od onih koje traže pomoć od ovih metoda matematičkog modeliranja.

Zrakoplovstvo

Putovanje avionom je skupo. Od samog početka pokušavaju se smanjiti masa aviona koliko god je to moguće bez ugrožavanja njegove snage.

Topološka optimizacija pomaže u detaljnoj analizi komponenti aviona kako bi se uklonila nepotrebna masa komponenti. To znači da avion može nositi više tereta (ili koristiti manje goriva) na istom putovanju.

Iste prednosti se odnose na satelite i rakete. Ova matematička metoda pomaže u smanjenju potpornih struktura i stvaranju lakših dijelova uz zadržavanje njihove izvorne snage.

Medicinska industrija

U oblasti medicine, topološka optimizacija stvara visoko efikasne implante i protetiku. Koristeći algoritam, možemo kreirati dijelove koji imitiraju gustinu kostiju i ukočenost pacijenta. Nadalje uzima u obzir pacijentovu anatomiju i nivo aktivnosti dizajniranog dijela i primijenjeno opterećenje.

Optimizacija poboljšava granicu izdržljivosti dijela. Gdje je to izvodljivo, algoritam će zamijeniti čvrstu strukturu rešetkastom. Ovo smanjenje težine je dobrodošla prednost za implante/protetiku.

Automobilska industrija

Neki proizvođači automobila sada koriste TO za projektovanje strukturnih (šasija) kao i komponenti mašina. Ova tehnologija je pomogla u smanjenju mase tjelesnog skeleta uz održavanje (pa čak i poboljšanje u nekim slučajevima) ukupne snage početnog proizvoda.

Sada, pored kompozita i ljepila, čelik nalazi sve više primjena zbog mogućnosti stvaranja složenih rešetkastih struktura korištenjem AM.

Proizvodne metode

Optimizacija oblika topologije može stvoriti složene strukture koje imaju najbolji omjer krutosti i težine uz korištenje minimalnog materijala. Mogu se proizvoditi korištenjem aditivnih, kao i subtraktivnih proizvodnih procesa.

AM zaista daje veliku količinu slobode dizajneru, ali kada su u pitanju ravni proizvodi, napredne metode subtraktivne proizvodnje mogu jednako efikasno stvoriti dijelove složene geometrije.

Svaka metoda će nametnuti različita proizvodna ograničenja na topologiju i geometriju elemenata i na to kako će se proizvodni proces odvijati s njegovim stvaranjem. Neke odlične metode koje mogu proizvesti ova inovativna rješenja su:

3D štampanje

3D štampa je bila ključna u dovođenju topološke optimizacije u centar pažnje. Bez aditivnih procesa, gotovo je nemoguće stvoriti složene strukture dizajnirane mnogim drugim tehnikama optimizacije, posebno generativnim dizajnom, pored TO.

3D štampa nudi brz i efikasan način za kreiranje topološki optimizovanih proizvoda sa malo ili bez gubitka. Postoje mnoge prednosti 3D štampanja i vrlo malo ograničenja. Među ograničenjima 3D štampe je to što se samo nekoliko metala može koristiti s njim jer je prvobitno dizajniran za plastiku.

CNC obrada

Kako je upotreba TO postala široko rasprostranjena, uloženi su napori da se kompjuterskim programima dodaju karakteristike koje omogućavaju tradicionalnim proizvodnim metodama da kreiraju ove komponente.

Kako TO stvara šuplje strukture sa potpornim strukturama neujednačene debljine, teško je koristiti CNC obradu za složene komponente. Ali za modele kod kojih se vizualni kapacitet potpuno preklapa s Vmap-om (Mapa vidljivosti), dio se može proizvesti pomoću CNC-a.

Vidljivost je koncept definiran u proizvodnji kako bi se razumio kapacitet određenog procesa da stvori određeni dio. U praktičnim procesima za dio se kaže da je vidljiv ako nijedna tačka na njegovoj površini nije skrivena od pravca procesa. Nepotrebno je reći da će 5-osna CNC mašina moći proizvoditi proizvode veće težine od 3-osne CNC mašine.

Lasersko rezanje

Laserska obrada može raditi i kao proizvodni proces za TO proizvode. Ova metoda je sposobna rezati zamršene oblike sa zavidnom preciznošću.

Lasersko rezanje se može koristiti na nekoliko različitih materijala (metali, drvo, akril, MDF) što ga čini korisnijim kada je moguća subtraktivna proizvodnja za TO dio.

Softver za topološku optimizaciju

Postoji preko 30 softverskih proizvoda dostupnih na tržištu za TO koji dolaze sa vlastitim kompromisima. Neki programi su popularniji od drugih zbog svog holističkog pristupa tehnici. Pogledajmo neke od njih.

Ansys Mechanical

Ansys kreira dizajnerska rješenja za multifizičke inžinjerske simulacije. Softver Ansys Mechanical dolazi sa unaprijed instaliranim funkcijama optimizacije strukturne topologije. Ovaj program može analizirati i optimizirati jednostavne i složene prostore za dizajn i izvršiti korekcije gdje je to potrebno.

Dolazi sa karakteristikama kao što su:

Modalna analiza višestrukih statičkih opterećenja.
Opcije kontrole za podešavanje minimalne debljine materijala.
Sposobnost rada sa planarnom i cikličnom simetrijom.
Jednostavna validacija rezultata.

Altair Inspire

Altair Inspire je moćan alat kada je u pitanju topološka optimizacija. Takođe sadrži dodatne mogućnosti kao što su generativni dizajn i brza izrada prototipa.

Program je jednostavan za savladavanje i pruža važne karakteristike kao što su:

Sposobnost stvaranja mješovitih potpornih struktura koje imaju čvrstu kao i rešetkastu geometriju. Ove datoteke se mogu posmatrati u 3D i mogu se poslati direktno na 3D štampač za proizvodnju.
Sposobnost interakcije i dodjeljivanja novih opterećenja strukturi osim što je sposobna pokretati unaprijed određena opterećenja koja se mogu uvesti/izvesti za analizu.
Sposobnost smanjenja prevjesa kako bi se podstaklo više samonosnih konstrukcija.

Solidworks

Solidworks je dodao TO funkcije u svom ažuriranju za 2018. Ovo je široko korišten kompjuterski program za CAD aplikacije i uvođenje TO je bilo prilično glatko i efikasno.

Solidworks također koristi metodu subtraktivnosti gdje cijepa materijal kako bi smanjio masu i poboljšao raspodjelu naprezanja.

Posebne karakteristike Solidworks TO modula su sljedeće:

Sposobnost dovođenja optimiziranih dizajna u CAD okruženje korištenjem više metoda.
Dostupnost raznih partnerskih proizvoda.

Zaključak

Napredak u AM-u nam je omogućio da s relativnom lakoćom kreiramo izuzetno složene oblike. Da bismo u potpunosti iskoristili ove skokove u proizvodnim mogućnostima, potrebne su nam tehnologije poput optimizacije topologije.

TO je odličan u optimizaciji dizajniranih rješenja. Ponekad se može osjećati pomalo van kontrole, posebno ako još uvijek učite osnove. Međutim, postoji mnogo faktora koji se mogu kontrolisati kako bi se model pomjerio prema povoljnijem ishodu.

Neke od ovih kontrola uključuju ograničavanje veličine člana u dizajnerskom prostoru, zahtjevnu simetriju u odnosu na ravnine ili ekstrudabilnost konačnog modela. Također možete manipulirati procentom uklanjanja materijala kako biste kontrolirali brzinu kojom će algoritam optimizirati dio.

Članak „Topology Optimisation “, autora Andreas Velling, preveden je sa portala Fractory.