Промышленные применения AT & 3D решений для профессионалов

Топологическая оптимизация геометрии изделия как путь повышения прибыльности предприятия

24.01.2022 Время чтения: 14 мин.
Сложность:
49 0 7

Если говорить сухим академическим языком, топологическая оптимизация — это процесс изменения конструкции, структуры детали и ее варьирующихся параметров при заданном критерии оптимальности с сохранением или улучшением ее функционала.
Рассмотрим на конкретных примерах, зачем данная технология необходима при создании сложных изделий и как она помогает оптимизировать производственные процессы на предприятии. Возьмем две детали, выполняющие одну и ту же функцию с определенными нагрузками и имеющие определенный ресурс (рис. 1). По сути, это одна и та же деталь, но с разной геометрией. Геометрия первой детали оптимизирована для изготовления стандартными методами производства на фрезерном, токарном станке и средствами других металлообрабатывающих технологий. Это простая и плоская геометрия, ее легко добиться при обработке на станке. У второй детали геометрия более сложная, и сделать ее на станке представляет серьезные трудности.

Геометрия без ограничений

Когда еще не существовало аддитивных технологий, а были только субтрактивные, то вопрос геометрии не стоял так остро и решался доступными способами. Топологическая оптимизация позволяет изменить стандартную геометрию на геометрию, специально адаптированную под определенную технологию. И это может быть и традиционная технология (например, литье), и аддитивный процесс.
Согласно данным, у второй детали меньше напряжение, меньше перемещение под нагрузкой и, самое главное, вес уменьшился на 1 кг. Для одной детали немного, но если их выпускают сто тысяч в год, то суммарно мы можем сэкономить сто тонн металла только на одной детали.

Рис. 1. Оптимизация геометрии детали средствами аддитивных технологий

3D-печать

Масса 3,703 кг 2,670 кг (↓ 28%)
Максимальные напряжения 1045/1045 МПа 897/600 МПа
Перемещения под нагрузкой 2,29/2,15 мм 1,72/1,45 мм

Программное обеспечение для топологической оптимизации не строит модель объекта с нуля. В него загружается геометрическая модель изделия, ранее изготовленного другим методом. Когда загрузили модель, мы отмечаем места, которые не подлежат изменению, например, крепления. Все остальное, что не попало в эти зоны, но принадлежит детали, является так называемой design space, то есть той зоной, где программа может менять геометрию. Затем мы в соответствии со служебным назначением изделия накладываем нагрузки, которые деталь должна выдерживать, то есть создаем силовую схему нагрузок. И далее в соответствии с заданными нами параметрами программа начинает создавать новую оптимизированную геометрию. Между неизменными местами для крепления она выстраивает новую модель, а затем анализирует напряжение в каждом сечении — выдерживает его сечение или нет. Если не выдерживает, то программа меняет сечение.
Процесс построения новой модели довольно затратный по времени и требует больших вычислительных ресурсов. Этот метод моделирования называется методом конечных элементов. Для каждой точки изделия программа составляет и решает интегральные уравнения, учитывая при этом взаимосвязи между всеми точками. В результате расчета получается новая геометрия. Затем конструктор может изменить что-то в модели, если это необходимо. В итоге получается CAD-модель. Далее для верификации модель загружается в другое программное обеспечение, в котором она проходит финальную проверку на максимальные деформации, напряжения и пр. Затем геометрия утверждается и может быть передана в производство. При этом программное обеспечение умеет оптимизировать геометрию под разные виды производства: под литье, штамповку, ковку или под аддитивное производство.
Топологическая геометрия, как правило, имеет аморфные формы, в ней нет плоских, прямых линий, могут быть сплайны второго порядка. При соблюдении тех же самых свойств и нагрузочных характеристик такое моделирование позволяет уменьшить массу изделия, и, следовательно, сократить издержки на производство. Понижение массы изделия при сохранении функционала изделия — это задача номер один в самолетостроении, авиакосмической отрасли и автомобилестроении.

Создание ячеистых и сетчатых структур

В природе такие структуры встречаются очень часто (рис. 2). Кости птиц могут быть почти пустотелыми, а кость млекопитающих представляет собой жесткую оболочку с губчатой структурой внутри. Это позволяет выдерживать те же нагрузки при меньших затратах организма на выращивание такой кости и меньшем весе.

Рис. 2. Создание решетчатых структур

Топологическая оптимизация дает возможность делать решетчатые структуры разных форм и размеров (например, гексагоновые) или создавать ячеистую структуру, а снаружи — твердую оболочку. Стандартными методами такую структуру нельзя изготовить — только с использованием аддитивных технологий.

Сокращение числа единиц в сборке

Это еще одно преимущество топологической оптимизации вместе с аддитивными технологиями. На рис. 3 изображен типичный сатуратор (смеситель жидкости с газом). Внутри трубы стоит маленький фильтр. Чтобы установить его туда, необходимо эту деталь сделать разъемной в двух частях, сделать фланцы для крепления, а также прокладки, болты и т. д. С помощью аддитивных технологий можно в одном корпусе создать и саму трубу, и мелкий фильтр внутри, и канал вокруг для распределения газа (рис. 4).

Рис. 3. Схема смесителя жидкости с газом

Рис. 4. Оптимизированный смеситель в едином корпусе

В итоге получаем в едином корпусе единую деталь, одну единицу хранения (таблица). Отсутствует операция сборки, нет прокладок, которые могут течь, нет больших фланцев, на которые уходил металл.

Таблица
Показатель Традиционная конструкция Новая конструкция
Количество деталей 12 1
Вес (кг) 1,3 0,05
Объем (см3) 401,920 45,263
Количество прокладок 3 0
Время изготовления (мин) 720 360
Время сборки (мин) 35 0
Задействовано отделов предприятия 4 2
Производственные затраты (€) 1,250 340

При анализе показателей видим, что вес детали уменьшился, прокладок нет, время сборки стало нулевым. Если мы уменьшаем вес детали в самолете всего на 200 г, а в нем таких деталей 100, то мы экономим 20 кг, а при ресурсе самолета в 25 лет это огромная экономия топлива или лишняя полезная нагрузка.
Таким образом, топологическая оптимизация — это программное обеспечение, которое создает геометрию без ограничений. ■

Алексей Чехович, ведущий технический эксперт iQB Technologies

Источник