Топологическая оптимизация конструкций
TopOpt: топологическая оптимизация
Опция TopOpt является дополнительной функциональной возможностью конечно-элементного ядра APM Structure3D, являющегося основой таких программных продуктов как APM WinMachine и APM Civil Engineering. Опция зарегистрирована в Реестре российских программ для ЭВМ и баз данных. Руководство пользователя приведено в главе 11 документации APM Structure3D.
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.
Стоимость лицензии опции Программного продукта предоставляется по письменному запросу на официальный электронный адрес компании com@apm.ru. Стоимость зависит от типа лицензии и варианта ключа лицензирования, а также от конфигурации и комплектации, если таковая имеется.
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.
С 17-ой версии у пользователя появилась 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 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.
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
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.
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.
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.
