Оптимизация топологии моделей деталей

В последние годы было разработано множество программных методов для поиска наиболее оптимального решения задач. Эти интеллектуальные методы позволили инженерам создавать проекты, которые были за пределами того, что возможно сделать вручную. Одним из таких методов является оптимизация топологии.
Оптимизация топологии (ОТ) — это компьютерный метод проектирования, используемый сегодня для создания эффективных проектов. В таких областях, как аэрокосмическая промышленность, строительство, биохимия и машиностроение, он активно используется для создания инновационных проектных решений, которые превосходят традиционное проектирование.
Что такое оптимизация топологии?
Оптимизация топологии — это математический метод, используемый на концептуальном уровне разработки проекта. Целью этого метода является более эффективное распределение материала по модели изделия. Он учитывает границы, установленные дизайнером, приложенную нагрузку и ограничения пространства для создания дизайн-проекта.
Проще говоря, оптимизация топологии берет 3D-модель и создает пространство для проектирования. Затем удаляет или перемещает материал внутри него, чтобы сделать дизайн более эффективным. При распределении материалов целевая функция не учитывает эстетику или простоту изготовления.
Как только проект завершен, используются аддитивные (а иногда и субтрактивные) методы производства для изготовления детали. Как следует из названия, в аддитивном производстве (далее называемом аддитивным производством – АП) материал добавляется (например, при 3D-печати) по частям, пока окончательная модель не будет завершена.
Метод ОТ способен создавать сложные формы и структуры, которые может быть чрезвычайно сложно создать с помощью других методик. Вот почему этот он предпочтителен для создания сложных продуктов, которые появляются после оптимизации исходных моделей.
Однако иногда конструкция, предлагаемая оптимизацией топологии, оказывается слишком сложной даже для АП. В таких ситуациях вносятся небольшие изменения в конструкцию для повышения ее технологичности.

Оптимизация топологии осуществляется на уже существующей модели. Можно оптимизировать весь компонент или его элементы. Эта область известна как пространство дизайна.
Оптимизация топологии использует анализ конечных элементов (FEA) для создания простой сетки проектного пространства. Сетка анализируется на предмет распределения напряжения и энергии деформации. Это информирует систему о количестве нагрузки, за которую отвечают различные разделы.
В то время как в некоторых секциях будет оптимальное распределение материала, в других может потребоваться обрезка. Секции с низкой энергией деформации и уровнем напряжения маркируются методом конечных элементов. Как только все неэффективные участки в пространстве дизайна определены, целевая функция постепенно удаляет излишки материала.
Во время этого процесса обрезки система также проверит, насколько общая структура затронута процессом удаления. Если процесс удаления нарушает целостность модели, процесс останавливается, а материал в этой области сохраняется.
Перед запуском алгоритма ОТ устанавливается количество материала, которое можно удалить, в процентах от общего количества материала. Например, можно установить процент сокращения целевого материала на 50%.
Система поэтапно удаляет лишний материал. На каждом этапе она проверяет структуру на наличие уровней напряжения, повторяя распределение элементов до тех пор, пока не будет достигнуто целевое процентное соотношение.
Оптимизация топологии решает сразу несколько задач. Давайте посмотрим, какие преимущества может предложить ТО.

Наиболее привлекательным преимуществом оптимизации топологии является ее способность уменьшать излишний вес. Оптимизация размера означает, что требуется меньше сырья для производства деталей. Дополнительный вес также негативно влияет на энергоэффективность и повышает стоимость доставки деталей. Все эти преимущества непосредственно приводят к фактической экономии затрат, что важно в условиях конкурентного рынка.

Ускоренный процесс проектирования
Поскольку проектные ограничения и повышение производительности учитываются на ранних стадиях концепции, разработка окончательного проекта занимает не так много времени. Более быстрый процесс также означает сокращение сроков выхода на рынок, что особенно важно для новых продуктов в конкурентной экономике.

Надёжность
ОТ предотвращает излишнюю трату материала. Алгоритм способен создавать устойчивые конструкционные системы, основываясь на надежной структурной логике. Кроме того, как упоминалось ранее, топологически оптимизированные продукты экономят ресурсы за счет снижения веса.

Есть некоторые проблемы оптимизации топологии, о которых нужно знать, чтобы использовать ее эффективно. Рассмотрим, что они из себя представляют.

Производственные ограничения
Конструкции, которые предлагает TO, могут быть сложны в изготовлении. Учитывая, что АП достаточно гибок с точки зрения того, что он может производить, все же необходимо проверить технологичность до окончательной доработки конструкции.
Если решать проблему оптимизации топологии, думая только о функции, возможны неудачи, когда речь заходит о качестве и эффективности сборки.
Стоит отметить, что несколько разработчиков программного обеспечения предлагают функцию, называемую производственными ограничениями для ОТ. Таким образом, можно создавать детали, которые производят только с использованием обычных методов.

Высокая цена
В последнее время стоимость АП снизилась, но она по-прежнему на ступеньку выше традиционных методов производства. Важно рассматривать соотношение затрат и выгод в каждом конкретном случае. Для массового производства возможно изготовление пресс-форм для литья под давлением. Поэтому возможно пойти дальше, чем 3D-печать для создания пластиковых деталей.
Для включения или исключения нескольких компонентов АП может оказаться дорогим, что в большинстве случаев является сдерживающим фактором, поскольку инвестиции слишком высоки. В таких случаях будет более выгодно передать производство компании, предоставляющей услуги 3D-печати.

Области применения ОТ

Многие отрасли в настоящее время обращают внимание на передовые методы проектирования, такие как оптимизация топологии и генеративный дизайн. Хотя производство деталей с этими технологиями может быть более дорогостоящим, у них есть важные преимущества. Аэрокосмическая, медицинская и автомобильная отрасли промышленности сейчас чаще всего нуждаются в использовании этих методов математического моделирования.
Оптимизация топологии помогает детально проанализировать компоненты самолета, чтобы отсечь ненужную массу компонентов. Это означает, что самолет может перевозить больше груза (или расходовать меньше топлива) за один и тот же рейс.
Те же преимущества применимы к спутникам и ракетам. Этот математический метод помогает уменьшить опорные конструкции и создать более легкие детали, сохраняя при этом их первоначальную прочность.

Медицина
В области медицины оптимизация топологии позволяет создавать высокоэффективные имплантаты и протезы. Используя алгоритм, можно создавать детали, имитирующие плотность и жесткость костей пациента. Кроме того, он учитывает анатомию пациента, уровень активности спроектированной части и приложенную нагрузку. Оптимизация улучшает предел выносливости детали. Там, где это возможно, алгоритм заменяет сплошную структуру решеткой. Это снижение веса является большим преимуществом для имплантатов/протезов.

Автомобильная промышленность
Некоторые производители автомобилей в настоящее время используют ОТ для проектирования конструкций (шасси), а также компонентов машин. Эта технология помогла уменьшить массу каркаса при сохранении (а в некоторых случаях даже улучшении) общей прочности исходного продукта.
Сейчас, помимо композитов и клеев, сталь находит все больше применений благодаря возможности создания сложных решетчатых структур с использованием АП.

Оптимизация формы топологии может создавать сложные конструкции, которые имеют наилучшее соотношение жесткости и веса при минимальном использовании материала. Они могут быть изготовлены с использованием как аддитивных, так и субтрактивных производственных процессов.
АП действительно дает дизайнеру большую свободу, но когда речь идет о плоских изделиях, усовершенствованные субтрактивные методы производства могут столь же эффективно создавать детали со сложной геометрией.
Каждый метод будет налагать различные производственные ограничения на топологию и геометрию элементов, а также на то, как будет происходить производственный процесс при их создании. Некоторые эффективные методы, которые могут производить эти инновационные решения:

3D-печать
3D-печать сыграла важную роль в привлечении внимания к оптимизации топологии. Без аддитивных процессов практически невозможно создавать сложные структуры, разработанные с помощью многих других методов оптимизации, особенно генеративного проектирования, в дополнение к ТО.
3D-печать предлагает быстрый и эффективный способ создания топологически оптимизированных продуктов с минимальными потерями или без них. У 3D-печати много преимуществ и очень мало ограничений. Одним из ограничений 3D-печати является то, что с ней можно использовать лишь несколько металлов, поскольку изначально она была разработана для пластика.

Обработка на станках с ЧПУ
Поскольку использование ОТ стало широко распространенным, были предприняты усилия по интеграции в компьютерные программы функций, позволяющих создавать эти компоненты традиционными методами производства. Поскольку ОТ создает полые конструкции с опорными элементами неравномерной толщины, трудно использовать обработку с ЧПУ для сложных компонентов. Но для моделей, в которых визуальная способность полностью перекрывается с Vmap (карта видимости), деталь можно изготовить на оборудовании с ЧПУ.
Видимость — это концепция, определенная в производстве для понимания способности конкретного процесса создавать определенную деталь. В практических процессах деталь называется видимой, если ни одна точка на ее поверхности не скрыта от направлений процесса. Излишне говорить, что 5-осевой станок с ЧПУ сможет изготавливать изделия большей сложности, чем 3-осевой станок с ЧПУ.

Лазерная резка
Лазерная обработка также может использоваться в качестве производственного процесса для продуктов ОТ. Этим методом удобно вырезать сложные формы с высокой точностью. Лазерная резка может использоваться для нескольких различных материалов (металлы, дерево, акрил, МДФ), что делает ее более полезной, когда возможно субтрактивное производство детали ОТ.

На рынке доступно более 30 программных продуктов для ОТ, которые имеют свои недостатки. Некоторые программы более популярны, чем другие, благодаря целостному подходу к технике разработки модели. Давайте посмотрим на некоторые из них.
Ansys Mechanical
Ansys создает проектные решения для мультифизического инженерного моделирования. Программное обеспечение Ansys Mechanical поставляется с предустановленными функциями оптимизации структурной топологии. Эта программа может анализировать и оптимизировать как простые, так и сложные проектные пространства, а также вносить необходимые исправления. Программа поставляется с такими функциями:
✅ Модальный анализ множественных статических нагрузок.
✅ Опции управления для установки минимальной толщины материала.
✅ Возможность работы с плоской и циклической симметрией.
✅ Простая проверка результатов.

Altair Inspire
Altair Inspire — мощный инструмент для оптимизации топологии. Он также имеет дополнительные возможности, такие как генеративный дизайн и быстрое прототипирование.
Программа проста в освоении и предоставляет такие функции:
✅ Возможность создания смешанных опорных структур, имеющих как сплошную, так и решетчатую геометрию. Эти файлы можно просмотреть в 3D и отправить непосредственно на 3D-принтер для производства.
✅ Способность взаимодействовать и назначать новые нагрузки на конструкцию, помимо возможности запуска предварительно определенных нагрузок, которые можно импортировать/экспортировать для анализа.
✅ Возможность уменьшить выступы, чтобы стимулировать более самонесущие конструкции.

Solidworks
Solidworks добавила функции ОТ в своем обновлении ещё 2018 года. Это широко используемая компьютерная программа для приложений САПР, и внедрение TO прошло довольно гладко и эффективно. Solidworks также использует метод вычитания, при котором материал вырезается так, чтобы уменьшить массу и улучшить распределение напряжения.
Отличительные особенности модуля Solidworks ОТ:
✅ Возможность вносить оптимизированные проекты в среду САПР, используя несколько методов.
✅ Наличие различных программных продуктов партнеров.

Вывод
Достижения в области аддитивного моделирования позволили относительно легко создавать чрезвычайно сложные формы. Чтобы в полной мере воспользоваться этим прогрессом в производственных возможностях, нужны такие технологии, как оптимизация топологии.
ОТ отлично подходит для оптимизации разработанных решений. Иногда это может показаться немного неконтролируемым. Однако, есть много факторов, которыми можно управлять, чтобы изменить модель в сторону более благоприятного результата разработки.
Некоторые из этих элементов управления включают ограничение размера элемента в пространстве проектирования, требование симметрии относительно плоскостей или возможность «выдавливания» конечной модели. Также можно манипулировать процентом удаления материала, чтобы контролировать скорость, с которой алгоритм оптимизирует деталь.