Сталкивались ли вы с ситуацией, когда для улучшения существующей конструкции необходимо прибегать к принципиально новым идеям? Или, быть может, вам знакома ситуация, когда перед вами поставлена задача спроектировать принципиально новую деталь, которую необходимо вместить в ограниченное пространство, сделать легкой и долговечной, а у вас есть лишь общее представление о том, как эта деталь должна выглядеть?
Зачастую детали проектируются путем улучшения уже существующих. В таком случае размеры и прочие исходные данные можно использовать в качестве параметров и провести параметрическую оптимизацию. В случае же, когда вы не можете опереться на существующую деталь, обычно разрабатывается одна-две концепции, для которых задаются основные параметры и затем применяются стандартные методы оптимизации, такие как моделирование экспериментов (Design of Experiments). О методах параметрической оптимизации мы рассказывали в наших предыдущих статьях: «Opting to Optimize», «Two Approaches to Design Optimization During Finite Element Analysis», и «How Does my DOE Model Determine How Many Design Points to Generate?». Альтернативный подход, который не основывается на предыдущих разработках, заключается в том, чтобы просто начать с массива материала и позволить алгоритму оптимизации определить как форму, так и размеры проектируемого объекта. Такой способ оптимизации известен как топологическая оптимизация (Topology optimization).
Алгоритм топологической оптимизации находит наилучшее распределение материала в пределах заданной цели и системы ограничений. Он берёт цельный объем материала произвольной формы и постепенно удаляет его часть, при этом максимизируя или минимизируя такие целевые параметры, как масса, перемещение или податливость, и обеспечивая одновременное соответствие заданным требованиям и удовлетворение системы ограничений на максимальные допускаемые напряжения или перемещения. Так, например, можно решить задачу о снижении массы испытательного стенда с условием того, чтобы конструкция не заходила в опасный диапазон по собственным частотам. Как вы можете себе представить, такой тип оптимизации может выдать в результате принципиально новые и сложные формы конструкции. Ранее их зачастую было нереально воспроизвести в реальности ввиду ограничений традиционных способов производства. Однако, современные методы, такие как аддитивное производство, сделали доступным изготовление сложных геометрических форм.
Приведем ещё один пример на топологическую оптимизацию: необходимо снизить массу рычага системы управления без превышения заданных ограничений по перемещениям. Допускаемые габариты рычага ограничены объёмом, изображенным на рисунке 1. Там же прорисованы узлы и условия закрепления: нижний узел нагружен усилиями по 33 кН в горизонтальном и вертикальном направлениях, два верхних узла жестко закреплены. На рисунке 2 приведен результат топологической оптимизации со следующими условиями: минимизация массы при ограничении горизонтальных перемещений до 10,7 мм и вертикальных – до 1,2 мм.
Модели, созданные при помощи топологической оптимизации, можно экспортировать как STL-файлы для дальнейшего использования в 3D печати. Однако, как упоминалось ранее, геометрия таких моделей может быть достаточно сложной, что может затруднить их изготовление. Некоторые программы для топологической оптимизации, такие как ANSYS Topology Optimization, позволяют проводить оптимизацию с учётом таких конструктивных и технологических ограничений, как симметрия относительно плоскости, вытягивание в заданном направлении и максимальный/минимальный допустимый размер геометрических элементов. Благодаря этому мы можем избежать тех геометрических форм, которые будут слишком сложны либо дороги в изготовлении. Кроме этого, можно приложить некоторые дополнительные усилия для воссоздания CAD-модели по полученному STL-файлу – это можно сделать в ANSYS SpaceClaim. Результат такой работы для нашего примера показан на рисунке 3. Больше информации о работе с STL-геометрией в SpaceClaim вы можете найти в нашей статье «Moving Forward with Reverse Engineering», а также в демонстрационном видео «Reverse Engineering with SpaceClaim».
Несмотря на существование других методов оптимизации формы, топологическая оптимизация остается наиболее общим и мощным инструментом для разработки инновационных форм и концептуального проектирования.
Источник: ansys.soften.com.ua
