Оптимизация топологии 101:как использовать алгоритмические модели для создания упрощенного дизайна

Где хороший дизайн сочетается с функциональностью? Поскольку автоматизированное проектирование (САПР) продолжает развиваться, а передовые методы производства, такие как 3D-печать, становятся все более распространенными, что делает возможным создание сложных деталей проще, чем когда-либо прежде, дизайнеры и инженеры могут использовать программное обеспечение для оптимизации топологии, чтобы раздвинуть границы и найти новые способы максимизировать эффективность дизайна.

В этом руководстве вы узнаете об основах оптимизации топологии, ее преимуществах и приложениях, а также о том, какие программные инструменты можно использовать для начала работы.

Что такое оптимизация топологии?

Оптимизация топологии (TO) - это метод оптимизации формы, который использует алгоритмические модели для оптимизации расположения материала в заданном пользователем пространстве для заданного набора нагрузок, условий и ограничений. TO максимизирует производительность и эффективность конструкции за счет удаления избыточного материала из областей, которые не должны нести значительных нагрузок, для снижения веса или решения проблем проектирования, таких как уменьшение резонанса или теплового напряжения.

Конструкции, созданные с оптимизацией топологии, часто включают в себя произвольные формы и сложные формы, которые сложно или невозможно изготовить традиционными методами производства. Однако конструкции TO идеально подходят для процессов аддитивного производства, которые имеют более щадящие правила проектирования и позволяют легко воспроизводить сложные формы без дополнительных затрат.

Оптимизация топологии и генеративный дизайн

Генеративное проектирование и оптимизация топологии стали модными словами в области проектирования САПР, но распространено заблуждение, что они являются синонимами.

Оптимизация топологии не новость. Он существует уже не менее 20 лет и широко доступен в обычных программных инструментах САПР. Для начала процесса требуется, чтобы инженер-человек создал модель САПР, применяя нагрузки и ограничения с учетом параметров проекта. Затем программное обеспечение удаляет избыточный материал и генерирует единую оптимизированную концепцию модели сетки, готовую для оценки инженером. Другими словами, оптимизация топологии требует, чтобы с самого начала работала модель, созданная человеком, ограничивающая процесс, его результаты и масштаб.

В некотором смысле оптимизация топологии служит основой генеративного проектирования. Генеративное проектирование продвигает процесс дальше и устраняет необходимость в исходной модели, созданной человеком, принимая на себя роль дизайнера на основе предопределенного набора ограничений.

Вебинар

Введение в генеративный дизайн для производства легких деталей с помощью 3D-печати

На этом веб-семинаре ведущий специалист по маркетингу продуктов Formlabs Дженнифер Милн представит простой обзор, объясняющий, что такое генеративный дизайн, в формате, применимом к проектированию механических деталей, включая пошаговое руководство по Fusion 360, в котором она создаст легкий кронштейн.

Посмотреть вебинар сейчас

Как работает оптимизация топологии

Оптимизация топологии обычно происходит ближе к концу процесса проектирования, когда желаемая деталь должна иметь меньший вес или использовать меньше материалов. Затем дизайнер работает над определением определенных предустановленных параметров, таких как приложенные нагрузки, тип материала, ограничения и компоновка.

Оптимизация структурной топологии сначала определяет минимально допустимое пространство для проектирования, необходимое для оптимизации формы продукта. Затем программное обеспечение для оптимизации топологии виртуально оказывает давление на конструкцию под разными углами, проверяет ее структурную целостность и определяет ненужный материал.

Рабочий процесс оптимизации топологии. (источник)

Наиболее распространенным и практичным методом оптимизации топологии является метод конечных элементов (МКЭ). Во-первых, FEM учитывает геометрическую конструкцию для минимально допустимого пространства - наряду с другими факторами - и разбивает конструкцию на части. Затем он проверяет каждый конечный элемент на жесткость, податливость и наличие избыточного материала. Наконец, FEM сшивает детали вместе, чтобы завершить полный дизайн.

Проверка конструкции включает определение порогового значения для поля плотности элементов между значениями от 0 до 1. Значение 0 пропускает материал в указанной области конструкции, а значение 1 устанавливает указанную область как твердый материал. Затем дизайнер может удалить с модели весь ненужный материал и завершить часть проекта по оптимизации топологии.

До аддитивного производства дизайнеры отказались от многих сложных форм, созданных с помощью оптимизации топологии, поскольку их было невозможно изготовить, а их потенциал оставался нереализованным.

Преимущества оптимизации топологии

Инженерам нужна веская причина, чтобы отказаться от классических методов проектирования и производства. Если инновационный дизайн не будет стоить дешевле, лучше работать или сэкономить время, производитель не увидит особых причин для изменений. Давайте посмотрим на преимущества оптимизации топологии.

Экономия денег

Многие сложные геометрические формы, возникающие в результате оптимизации топологии, делают производственные затраты невозможными при традиционных производственных технологиях. Но в сочетании с 3D-печатью эта сложность не требует дополнительных затрат.

Производство деталей, напечатанных на 3D-принтере, по-прежнему может быть дороже, чем их неоптимизированные, традиционно производимые аналоги, но эти легкие конструкции могут предложить производителям большую экономию за счет других способов:

• Лучшая топливная эффективность, поскольку для приведения деталей в движение требуется меньше энергии благодаря меньшему трению (самолеты, автомобили)

• Снижение затрат на упаковку и транспортировку

• Для сборочных линий требуется меньшее количество тяжелого оборудования

Решение проблем дизайна

Оптимизация топологии может решить общие проблемы в процессе проектирования, такие как следующие:

• Резонанс возникает, когда сила, допускаемая формой в системе, превышает систему. Это может привести к механической деформации, уменьшению механической структуры и выбросам загрязняющих веществ.

• Термическое напряжение - это любое изменение температуры материала из-за трения или других факторов, приводящее к термической усталости и деформации внутри системы.

Иногда оптимизация дизайна включает в себя конкурирующие целевые функции, такие как оптимизация размера и веса. Например, аэрокосмические детали выигрывают в том, что они легкие, но они также должны выдерживать огромный крутящий момент, напряжение и нагрев. Алгоритм может сбалансировать дизайн, чтобы учесть каждую из этих целевых функций и найти золотую середину.

Экономия времени

Хотя работа с программным обеспечением для оптимизации топологии по-прежнему требует значительного опыта, инструменты TO могут быстро создавать высокопроизводительные проекты, которые инженер не может создать вручную. Это означает меньше времени и энергии, затрачиваемых на проектирование САПР, и получение надежных конечных результатов с меньшим количеством итераций дизайна.

Когда дело доходит до изготовления деталей, процессы аддитивного производства также могут быстро изменить готовые детали, поскольку они не требуют инструментов намного быстрее, чем традиционные методы производства.

Снижение воздействия на окружающую среду

Создание небольших и легких продуктов снижает общий углеродный след производителя, в первую очередь за счет меньшего количества строительных материалов. По сравнению с традиционными инструментами субтрактивного производства, детали, изготовленные с помощью аддитивных процессов, также обычно требуют меньше сырья и производят меньше отходов.

Часто наиболее значительная экономия достигается в течение всего срока службы деталей. Например, легкие детали самолетов снижают воздействие на окружающую среду за счет меньшего расхода топлива.

Устранение ошибок

В основе оптимизации топологии лежит устранение ошибок. При проведении стресс-тестирования процесс учитывает широкий спектр переменных и избегает рискованных предположений, которые могут привести к появлению неисправных продуктов.

Приложения для оптимизации топологии

Высокопроизводительные, эффективные и легкие конструкции, которые возможны с помощью методов оптимизации топологии, применимы во многих отраслях промышленности.

Аэрокосмическая промышленность

Из-за важности снижения веса оптимизация топологии является естественным вариантом для аэрокосмической техники и авиастроения. TO использовался, например, для улучшения компоновки конструкций планера, таких как ребра жесткости или кронштейны для самолетов.

Помимо обеспечения структурного облегчения, оптимизация топологии может помочь раскрыть потенциал передовых производственных технологий, таких как аддитивное производство или композитные материалы, которые становятся все более популярными в этом секторе.

Оптимизация топологии ребра ребра Airbus A380. (источник)

Автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности оптимизация топологии уравновешивает желательность использования легких деталей с точки зрения топливной экономичности и мощности со стабильностью и прочностью кузова, способного выдерживать крутящий момент и удары.

Помимо экономии массы, оптимизация топологии также может повысить безопасность пассажиров, определив способ обрушения конструкции во время аварии.

Легкая рама мотоцикла с оптимизированной топологией, изготовленная с использованием металлической 3D-печати. (источник)

Медицинские

Аддитивное производство идеально подходит для создания медицинских имплантатов, поскольку позволяет профессионалам-медикам создавать произвольные формы и поверхности, а также пористые структуры. Благодаря оптимизации топологии конструкции могут иметь более легкие решетчатые структуры, обеспечивающие улучшенную остеоинтеграцию и более продолжительные по сравнению с другими имплантатами.

Инструменты TO также могут оптимизировать конструкции биоразлагаемых каркасов для тканевой инженерии, пористых имплантатов и легкой ортопедии. Приложения нанотехнологий, такие как манипуляции с клетками, хирургия, микрожидкости и оптические системы, также используют оптимизацию топологии.

Черепный имплант, изготовленный методом аддитивного производства металла. Источник:Autodesk

Программное обеспечение для оптимизации топологии

Разработчики все больше признают универсальность, скорость и надежность использования оптимизации топологии. Компании-разработчики программного обеспечения в ответ предоставляют необходимые наборы инструментов либо в рамках своих уже существующих предложений, либо с помощью новых программных решений.

Ниже приведены некоторые примеры программного обеспечения для оптимизации топологии:

• nTopology предлагает «уникальный набор инструментов для генеративного проектирования и автоматизации», ускоряющий процесс проектирования за счет объединения передовой геометрии, моделирования и экспериментальных данных. Его геометрический движок применяется в самых разных приложениях, от аэрокосмической и автомобильной до дизайна футбольных шлемов и устройств для конкретных пациентов в медицинской сфере.

• Решения SOLIDWORKS Simulation включают оптимизацию топологии среди своих инструментов расчета конструкций и предлагают несколько методов для возврата этих оптимизированных проектов в среду САПР.

• Облачная платформа САПР Fusion 360 от Autodesk предлагает оптимизацию формы и расширенные функции для поддержки проверки конструкции для производства как с использованием традиционных, так и цифровых инструментов производства, таких как 3D-печать.

• Программное обеспечение для генеративного проектирования Creo 7.0 включает расширение Generative Topology Optimization, позволяющее пользователям учитывать ограничения и требования продукта и «быстро исследовать инновационные варианты дизайна, чтобы сократить время и расходы на разработку».

• Altaire OptiStruct объединяет структурную оптимизацию и анализ. Специализируясь на легкости и структурной эффективности, он предлагает запатентованный метод оптимизации топологии при проектировании решетчатых структур. Его интегрированная мультифизическая среда, включая теплопередачу, вибрацию и акустику, динамику ротора, жесткость и стабильность, помогает при проектировании в таких областях, как бытовая электроника, аэромоделирование и медицинские технологии.

• Tosca Structure работает с программным обеспечением FEA и может похвастаться реалистичными имитационными моделями с возможностью быстрого и надежного изменения геометрии. Его возможность преобразования позволяет оптимизировать форму в существующем заторе из конечных элементов, минуя промежуточные этапы, и это особенно важно для проектировщиков механических конструкций.

Яркое будущее для инноваций

Инженеры все чаще используют новаторские методы проектирования прототипов, деталей машин и товаров народного потребления.

Алгоритмический дизайн и технология 3D-печати идут рука об руку и больше не обходятся производителям непомерно дорого. Изучите набор 3D-принтеров Formlabs и выведите свои проекты на новый уровень.

Источник изображения на обложке:nTopology