Топологическая оптимизация

Топологическая оптимизация - это метод, который используется для оптимизации геометрии детали. Обычно он сводится к минимизации массы детали при сохранении ее структурной целостности.

Данный процесс включает в себя анализ нагрузок, которые испытывает деталь во время работы, позволяющий определить места, в которых возможно удаление массы. Оптимизация часто используется в качестве ориентировочного или концептуального инструмента для создания детали на основе объемной конструкции или же для улучшения работоспособности существующей конструкции.

Параметры топологической оптимизации

До применения к конструкции топологической оптимизации необходимо определить следующую информацию:

Имеющаяся конструкция: методом топологической оптимизации возможно удаление массы только в тех областях, в которых она была смоделирована пользователем. Именно поэтому существует необходимость в предопределенной «рабочей области» или первоначальной объемной конструкции (Рисунок 18.3 - вверху слева).
Нагрузки и требования: до выполнения оптимизации деталь необходимо подвергнуть механическим нагрузкам. Должны быть известны такие параметры нагрузок, действующих на деталь, как направление, величина и расположение точек воздействия. Материал детали также определяется на этом этапе (Рисунок 18.3 - вверху справа).
Требования к оптимизации: пределы оптимизации устанавливаются набором требований. Например, сохранение определенной жесткости или прочности детали, при уменьшении ее массы.
Технологичность: важно учитывать и то, как будет производиться эта деталь и связанные с этим производственные ограничения (например, поднутрения для обработки с ЧПУ или опора для 3D-печати). Некоторые пакеты программ могут накладывать требования для обеспечения возможности изготовления оптимизированной конструкции конкретным методом производства.
Цель оптимизации: простое определение цели, например «минимизировать массу» или «максимизировать жесткость».

Особенно эффективной топологическая оптимизация может быть при использовании в сочетании с 3D-печатью. Органические геометрии, получаемые после топологической оптимизации, идеально подходят для 3D-печати и часто затруднительны для производства традиционными методами, такими как обработка с ЧПУ.

Преимущества и ограничения

Топологическая оптимизация наилучшим образом подходит для использования в отраслях, где детали подвергаются большим нагрузкам и должны иметь небольшую массу, например, в автомобильной или аэрокосмической промышленности. Использование топологической оптимизации на ранних этапах процесса конструирования может способствовать разработке наилучшего решения.

Топологическая оптимизация также может быть использована для итерационного уточнения конструкции. Оно начинается с громоздкой конструкции, которая будет выдерживать все нагрузки, к которой затем применяется оптимизация, позволяющая получить грубую, приближенную исходную форму. Затем эта форма может быть оптимизирована, что позволяет получить уже более детализированную конструкцию. Эти действия могут повторяться снова и снова, ускоряя процесс конструирования.

Одним из ограничений топологической оптимизации является то, что программное обеспечение, используемое для выполнения симуляций, не позволяет получать решения «в один клик». На первых этапах настройки необходимо иметь начальный уровень знаний анализа методом конечных элементов. Необходимо правильно применять все нагрузки и требования, создать сетку и настроить средство проверки. Чувствительность этих параметров очень высока. Изменение воздействия нагрузки или требования к детали может иметь большое влияние на результирующее решение.

И наконец, алгоритмы, которые используются для топологической оптимизации, еще не способны выполнять порождающую оптимизацию. Методу порождающей оптимизации не потребуется никакая исходная конструкция, он будет сам определять, где необходимо создать материал, а не находить, где его удалить. Этот метод оптимизации конструкций значительно снизит рабочую нагрузку, ведь он не требует существования детали до начала ее оптимизации.