Топологическая оптимизация конструкций

Топологическая оптимизация в APMТопологическая оптимизация конструкций

Современный подход к проектированию предполагает эффективное использование материалов в конструкции. Снижение веса позволяет добиться лучших показателей энергоэффективности и экологичности изделий, снизить их транспортные и эксплуатационные расходы.

Топологическая оптимизация (ТО) - метод автоматизированного проектирования, позволяющий получить оптимальную форму изделия в заданных условиях эксплуатации. Внедрение этого инструмента в процесс разработки, позволяет сократить время, отводимое на данный этап жизненного цикла изделия, более широко использовать возможности как традиционных способов изготовления, так и аддитивных технологий.

Топологическая оптимизация в продуктах APM

Топологическая оптимизация стала доступна в программном комплексе APM с 15-ой версии и её функционал постоянно расширяется. Самой первой была реализована наиболее популярная постановка задачи поиска конструкции максимальной жесткости по методу «оптимального критерия».

С 16-ой версии, благодаря внедрению нелинейного оптимизатора, появилась возможность поиска конструкции минимальной массы с учетом допустимых напряжений, возможность учёта объемных нагрузок (таких как собственный вес, ускорение и т.д.) и возможность применения технологических ограничений (симметрия, штамповка, максимальная толщина элементов детали). В системе появился функционал для постобработки результатов ТО.

 

Топологическая оптимизация в APM - исходная конструкцияТопологическая оптимизация в APM - расчет исходной конструкцииТопологическая оптимизация в APM - указанное пространство проектированияТопологическая оптимизация в APM - результаты оптимизацииТопологическая оптимизация в APM - карта результатов

 

С 17-ой версии у пользователя появится возможность формировать оптимизационную задачу самостоятельно, задавая целевую функцию и различные ограничения, которые формируются из следующих откликов системы:

  • Перемещение узла;
  • Взаимное смещение двух узлов;
  • Объем/масса изделия;
  • Жесткость;
  • Напряжение в элементе;
  • Напряжение группы элементов;
  • Реакция в опоре.

Реализованы новые технологические ограничения:

  • получение самоподдерживающихся конструкций, экструзия и некоторые из них стали доступны для оптимизации по методу оптимального критерия, что позволяет значительно сократить количество итераций, необходимых для поиска решения;
  • учёт объемных нагрузок стал доступен для всех типов элементов и всех откликов;
  • постобработка станет доступна и для пластин.

 

Топологическая оптимизация в среде APM

В основе реализации топологической оптимизации в среде APM лежит совмещение методов оптимизации и метода конечных элементов. Ниже будут перечислены основные этапы решения задачи оптимизации.

Пользователю необходимо создать прототип конструкции. Для него необходимо учесть все возможные эксплуатационные нагрузки, которые можно представить в виде загружений.

 

Топологическая оптимизация в APM - оптимизация конструкции

 

Далее задаётся пространство проектирования, каждому элементу которого ставится в соответствие проектная переменная, её значение, равное 0 соответствует отсутствию материала, а 1 - полному заполнению материалом в данном конечном элементе, это и позволяет сформировать задачу оптимизации, а так же учесть учесть технологические ограничения.

Последний шаг – выбор постановки задачи или её самостоятельное формирование и запуск расчёта.

После проведения вычислений производится постобработка, проверочный расчёт и интерпретация результатов оптимизации.

 

Доступный функционал

Топологическая оптимизация в APM - результаты оптимизации

 

Максимизация жесткости - наиболее популярный и быстрый метод решения оптимизационной задачи, однако, в нём не учитываются прочностные свойства конструкции, доступен для всех типов конечных элементов в APM. В 16-ой версии есть возможность решать данную задачу c помощью двух алгоритмов - метода «оптимального критерия» и с помощью более продвинутого модуля нелинейной оптимизации. Во втором варианте доступен учёт объемных сил и технологических ограничений.

 

 

Топологическая оптимизация в APM - минимизация массы

 

Минимизация массы - популярная постановка задачи топологической оптимизации, позволяющая добиться наиболее легковесных конструкций, благодаря учёту прочностных свойств материала детали, доступен для трёхмерных и двухмерных конечных элементов. Алгоритм работает на основе модуля нелинейной оптимизации, благодаря чему в нём так же доступен учёт объемных сил и технологических ограничений. 

 

 

Топологическая оптимизация в продуктах APM - пример оптимизации

 

Постобработка предназначена для возможности осуществления проверочного анализа и дальнейшей работы с моделью, полученной с помощью топологической оптимизации конструкции. В результате постобработки на месте пространства проектирования создается полностью новая, сглаженная поверхностная сетка, а также объемная тетраэдральная сетка.

 

Продукты