Что такое топологическая оптимизация? Ее процесс и характеристики

Топологическая оптимизация – это процесс проектирования, который заключается в оптимизации расположения материалов в трехмерном пространстве, с учетом правил, установленных проектировщиком. Математическое моделирование влияет на увеличение производительности изделия с помощью оптимизирования условий нагрузки, внешних сил, ограничений и характеристик материалов.

Характеристика метода

Такой способ характеризуется созданием структур, учитывающим данные требования:

• Уменьшение соотношения жесткости и веса
• Улучшение соотношения энергозатрат и веса
• Уменьшение соотношения объема и запаса прочности
• Соотношение частоты свободных колебаний к массе.

Топологическая оптимизация широко применяется во многих сферах, в инженерной отрасли ее можно встретить на этапе разработки продукта, там ее используют для улучшения формы с точки зрения соотношения жёсткости и массы объекта.

Традиционные методы производства не всегда могут обеспечить надёжную реализацию сгенерированных проектов, но развитие аддитивного производства, 3D-печати, позволяет передавать спроектированные топологической оптимизацией объекты прямо на 3D-принтер, что существенно облегчает процесс изготовления.

Как проходит процесс топологической оптимизации

Топологическую оптимизацию наиболее часто проводят на этапе проектирования с целью уменьшения массы заданного продукта, поэтому первоначальная модель изделия подлежит анализу.

Первоначально проектировщик анализирует то, какой может быть минимально допустимый размер продукта.

После этого, он указывает внешние факторы такие как нагрузки и условия, а также внутренние – ограничения и характеристики материала. При этом учитывается зона применения данной детали: уточняются исключения и назначения в тех или иных зонах.

Технология метода конечных элементов, анализируя введенные данные, берет во внимание минимальный размер продукта и разбивает его на зоны, например, такие как точки приложения нагрузки, места крепления и области ограничений.

Для каждой выделенной области топологическая оптимизация создает базовую сетку, по которой далее МКЭ распределяет напряжение каждого элемента. С помощью такого анализа получается определить нагрузку и напряжение, которые являются оптимальными для каждого отдельного элемента.

Далее программа анализирует целостность спроектированного продукта и выявляет избыточные части материала посредством давления на деталь с разных сторон с помощью цифрового формата.

После давления на деталь в целом, каждый ее элемент также проходит проверку на жесткость, податливость, прогиб и напряжение согласно требованиям. Таким образом выделяется ненужный материал.

После всех совершенных испытаний метод конечных элементов собирает все части в одну цельную конструкцию.

Преимущества ТО

• Одним из преимуществ такого метода является оптимизация дизайна. При разработке конструкции необходимо учитывать множество факторов и найти между ними баланс, который позволить выбрать наиболее правильное решение. С помощью МКЭ топологическая оптимизация помогает не допустить брака в продукции.
• Еще одной положительной характеристикой является уменьшение количества материала. Такое сокращение благоприятно влияет на соотношение жёсткости и массы, уменьшает размер изделия, что снижает и энергопотребление. Помимо этого, сокращение материала положительно влияет на окружающую среду.
• Одним из свойств можно выделить экономичность производственного процесса. На это влияет минимизация расходов не только на материалы, но и на упаковке, энергии, затрачиваемой при транспортировке. Несмотря на то, что большинство геометрических форм, проектируемых ТО являются сложными и непрактичными для реализации с помощью традиционных производственных процессов, в сочетании с 3D-печатью их создание не сопровождается дополнительными затратами.
• Топологическая оптимизация позволяет проработать режимы работы, а также учитывают нагрузку на каждый элемент конструкции, что влияет на снижение появления риска поломки.

Недостатки

• Данная технология подходит больше для аддитивного вида производств, чем для субтрактивного, так как последний характеризуется необходимостью удаления материала, что в свою очередь влияет на увеличение затрат, а также занимает больше времени.
• Как уже было отмечено ранее, топологическая оптимизация чаще всего применяется с 3D-печатью, а в редких случаях – с литьем под давлением и литьем в форму. Это приводит к тому, что преимущественное изготовление с помощью аддитивных методов имеет более высокую стоимость по сравнению с традиционными методами.
• Недостатком является и неполное понимание процессов. Метод топологической оптимизации существует уже на протяжении нескольких десятилетий, тем не менее, только недавно он стал более широко использоваться в связи с появлением аддитивного производства.