Jak nowoczesne algorytmy rewolucjonizują projektowanie lekkich konstrukcji?
Współczesna inżynieria stoi przed wyzwaniem łączenia wysokiej wytrzymałości z minimalizacją zużycia surowców. Tradycyjne metody projektowania często bazowały na powielaniu wcześniej sprawdzonych rozwiązań, co z reguły prowadziło do przewymiarowania elementów. Konstrukcje te rzadko optymalizowano pod kątem masy czy też rzeczywistej wytrzymałości, ponieważ precyzyjne badanie stanów granicznych nie było celem prac konstruktorskich. To wynikało w dużej mierze z braku dostępu do zaawansowanego oprogramowania obliczeniowego. Odpowiedzią na te wyzwania jest optymalizacja topologiczna – zaawansowane narzędzie matematyczne, które pozwala komputerowo usunąć zbędny materiał, pozostawiając jedynie strukturę niezbędną do przenoszenia obciążeń. Poniższy przybliżamy proces powstawania lekkich konstrukcji inżynierskich krok po kroku, pokazując, jak z surowej bryły stworzyć wydajny i nowoczesny komponent.
Optymalizacja topologiczna Ansys (Synopsys)
Sam proces optymalizacji kształtu może być ograniczony specyfikacją wybranych metod wytwarzania. Czasem koszty skomplikowanej obróbki obiektu mogą okazać się wyższe niż te zaoszczędzone na redukcji materiału. Jak więc sobie z tym poradzić? Do tego problemu można podejść na dwa sposoby.
- Ograniczyć poprawę kształtu geometrii do kilku drobnych zabiegów w celu wygładzenia ostrych, poszarpanych krawędzi, np. za pomocą funkcji Shrinkwrap. Ta technika w zupełności wystarczy w przypadku wytwarzania metodami przyrostowymi.
- Zrekonstruować zoptymalizowany model, posługując się prostymi figurami geometrycznymi w celu ułatwienia procesu wytwarzania sposobami konwencjonalnymi.
Rys.1. Przykład przeprowadzenia optymalizacji topologicznej na modelu okucia.
Złożone i ograniczone kształty – praca z oprogramowaniem Ansys (Synopsys)
Należy pamiętać o tym, że sam proces optymalizacji kształtu może być ograniczony technologią metod wytwarzania. Czasem koszty skomplikowanej obróbki obiektu mogą okazać się wyższe niż te zaoszczędzone na redukcji materiału. Jak więc sobie z tym poradzić? Do tego problemu można podejść na dwa sposoby.
- Ograniczyć poprawę kształtu geometrii do kilku drobnych zabiegów w celu wygładzenia ostrych, poszarpanych krawędzi, np. za pomocą funkcji Shrinkwrap. Ta metoda w zupełności wystarczy w przypadku wytwarzania metodami przyrostowymi.
- Zrekonstruować zoptymalizowany model, posługując się prostymi figurami geometrycznymi w celu ułatwienia procesu wytwarzania metodami konwencjonalnymi.
Jak przeprowadzić optymalizację topologiczną?
Jako przykład rozpatrywany będzie model elementu rolek wykonany z materiału PVC. Poniżej znajdują się rysunki, które posłużyły jako inspiracja podczas modelowania podwozia rolek.
Rys.2. Poglądowe rolki.
1. Przygotowanie geometrii oraz jej dyskretyzacja
W pierwszym kroku należy wykonać (lub zaimportować) model 3D w taki sposób, aby jak najbardziej wypełnić przestrzeń roboczą. W ten sposób definiujemy obszar, w którym dojdzie do szukania optymalnego kształtu.
W następnym kroku, podczas dyskretyzacji, należy zwrócić uwagę na to, że im gęstsza siatka, tym bardziej szczegółowy będzie obiekt zoptymalizowany. Trzeba jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem gęstości siatki wydłuża się czas obliczeń. Kluczem okazuje się znalezienie zbilansowanej siatki, która pogodzi ze sobą czas obliczeń i dokładność otrzymanego zoptymalizowanego kształtu.
Rys.3. Zdyskretyzowany model podwozia rolek.
2. Określenie warunków brzegowych w module Mechanical
Kolejnym etapem jest nadanie warunków brzegowych odpowiadających rodzajowi przeprowadzanej analizy. W przypadku optymalizacji topologicznej może to być analiza:
- strukturalna,
- termiczna,
- sprzężona (termiczno-mechaniczna).
Da się ją również złożyć kilka analiz (np. wariantów obciążenia) i uwzględnić je z określoną wagą.
Na poniższym przykładzie rozpatrywany jest przypadek statyczny analizy mechanicznej. W modelu zastosowano utwierdzenie w większych otworach i przyjęto obciążenie odpowiadające masie ok. 80 kg, co pozwala odwzorować nacisk ciężaru człowieka na podwozie.
Rys.4. Warunki brzegowe.
3. Rozwiązanie analizy wytrzymałościowej
Interesujące nas rozwiązanie zostanie policzone przez algorytm programu, posługując się MES (metodą elementów skończonych). Na poniższych rysunkach zobrazowano wyniki naprężeń zredukowanych i deformacji.
Rys.5. Mapa naprężeń redukowanych wg. hipotezy HMH.
Rys.6. Mapa przemieszczeń całkowitych.
4. Określenie parametrów optymalizacji mechanicznej
W celu wykonania optymalizacji topologicznej najpierw określamy obszar, który ma zostać poddany optymalizacji oraz jaki fragment należy z niej wykluczyć. Na tym etapie można również dostosować wartość procentową masy do zachowania podczas optymalizacji. Poniżej przedstawiono przykładowe rozwiązanie optymalizacji topologicznej oraz dwie metody podejścia do przygotowania geometrii pod walidację.
Rys.7. Rozwiązanie optymalizacji.
Pierwszą metodą jest drobna poprawa poszarpanej geometrii za pomocą funkcji Shrinkwrap.
Rys.8. Poprawa geometrii pod wytwarzanie metodą druku 3D.
Druga metoda sprawdzi się w konwencjonalnej obróbce ze względu na przemodelowanie obiektu z prostych figur geometrycznych.
Rys.9. Poprawa geometrii pod wytwarzanie metodami obróbki konwencjonalnej.
5. Ocena zadania optymalizacyjnego poprzez porównanie wyników przed i po optymalizacji
Nawet jeśli maksymalna wartość naprężeń redukowanych po optymalizacji będzie większa niż przed, bardziej znaczące jest, aby maksymalne naprężenia nie przekraczały granicy plastyczności zadanego materiału. W naszym przypadku granica plastyczności PVC wynosi 46.71 [MPa]. Najważniejszym elementem, na który zwracamy uwagę, okazuje się spadek masy modelu przy jednoczesnym nie przekroczeniu wartości współczynnika bezpieczeństwa.
Tabela 1. Wartości potrzebne do określenia poprawności optymalizacji.
Aby stwierdzić, czy optymalizacja topologiczna spełnia założone wymagania, należy przypomnieć sobie w pierwszej kolejności, w jakim celu ma zostać przeprowadzana? Głównym powodem jest redukcja masy elementu, tak jak pokazano to w tabeli 1. Następuje redukcja masy o 55% dla optymalizacji pod wydruk 3D oraz o 45% pod obróbkę konwencjonalną, w bezpiecznych granicach naprężeń redukowanych (nie przekraczają one progu plastyczności materiału).
Ze względu na to, że masa po optymalizacji pod metody przyrostowe okazuje się mniejsza niż pod obróbkę konwencjonalną, zaleca się, aby to z niej korzystać, jeśli jest to możliwe i opłacalne.
Artykuł opracowany na podstawie fragmentu pracy inżynierskiej Emilii Lewandowskiej odbywającej praktyki w Symkom.
Źródła
- https://gmsystem.pl/blog/solid-edge-st10-nowoczesne-rozwiazania-do-optymalizacji-geometrii-produktow-2/
- https://centrumdruku3d.pl/naukowcy-opracowuja-technike-druku-3d-dla-lekow-o-kontrolowanym-uwalnianiu-w-organizmie/
- R. Patyk, A. Kułakowska, Topologiczna optymalizacja konstrukcji na przykładzie widłaka wału przegubowego, czasopismo Autobusy 5/2012,
- T. Kuczek, Ograniczenia produkcyjne w optymalizacji topologicznej inżynierskich konstrukcji ramowych, Kraków 2019.
- E. Lewandowska, Modelowanie i optymalizacja obrotowego chwytaka robota, Gliwice 2024.
Obserwuj nas
