Четыре основных ошибки при топологической оптимизации

Топологическая оптимизация – это подход к оптимизации конструкции, ищущий наилучшее распределение материала в заданной области для заданных нагрузок и граничных условий. Применение топологической оптимизации на этапе проектирования помогает найти вариант дизайна конструкции с наиболее рациональным распределением материала и пустот в объёме, таким образом заметно снизить его массу.

Но действительно ли так просто отыскать желаемую форму детали? Сложность, как и время поиска можно заметно снизить, если правильно использовать ANSYS Topology Optimization или другой продукт, позволяющий проводить сложную топологическую оптимизацию. В данной статье разобраны основные ошибки, которые возникают у пользователей, впервые столкнувшихся с топологической оптимизацией.

1. Указание некорректной области для оптимизации

Процесс топологической оптимизации начинается с выбора области, в рамках которой оптимизатор проводит поиск. В идеале, конечно, можно указать в качестве этой области весь свободный объём, однако делать так обычно возможности нет. Пожалуй, одним из наиболее значимых факторов при выборе области для оптимизации является учёт взаимодействия детали в сборке.

Использование геометрической модели уже существующей детали – плохой вариант, так как она уже имеет (скорее всего) неоптимальное распределение материала. Топологический оптимизатор же «не умеет» добавлять материал, он ищет оптимальный вариант конструкции путём удаления участков геометрии из заданной области.

Объясним прошлый абзац при помощи примера (см. рисунок 1). Сравнивая результаты оптимизации, можно отметить, что они очень чувствительны к тому насколько свободно алгоритм поиска распределения материала мог распоряжаться объёмом.

Рисунок 1 – Пример выбора области для топологической оптимизации

И в том и в другом случаях поиск оптимального распределения материала осуществлялся внутри соответствующей области, но в первом случае часть отверстий в этой области уже существовала. Таким образом в первом случае ANSYS Topology Optimization, имея возможность лишь удалять «излишки» материала, не может добавить его там, где в исходной геометрии есть отверстия. В результате при одинаковых массах, второй вариант дизайна получился на 25% более жёстким.

2. Определения областей для обязательного сохранения

После указания области для оптимизации (в рамках которой программа будет искать результат) важно также определить те области, которые точно нужно сохранить. Чаще всего это участки, через которые компоненты контактируют друг с другом или просто части, без которых нормальное функционирование детали невозможно.

3. Низкая плотность сетки

Результаты топологической оптимизации чувствительны к конечно-элементной сетке, то есть полученная форма конструкции может отличаться при расчётах на различных сетках. В связи с этим использование недостаточно мелкой сетки может приводить к неудовлетворительным результатам. С измельчением сетки некоторые участки оптимизированной области становятся всё сложнее и начинают состоять из всё более мелких элементов. Для учёта вышеперечисленного эффекта в ANSYS Topology Optimization рекомендуется подбирать размер конечных элементов таким, чтобы как минимум три элемента умещалось по толщине наименьшей грани предполагаемой формы детали.

4. Неверная оценка времени оптимизации и проектирования

Пожалуй, главное заблуждение при использовании топологической оптимизации заключается в том, что по нажатию кнопки «Solve» вы получаете готовый конечный дизайн или форму детали. На самом деле всё немного не так. Результаты оптимизации лишь показывают в каких областях материал необходим, а в каких – нет с точки зрения тех ограничений и целевой функции, которые были использованы.

Рисунок 2 – Топологическая оптимизация детали и последующая обработка результатов

В редких случаях результаты оптимизации можно сразу или после минимальной обработки использовать в качестве конечной формы детали. Чаще всего, однако, время обработки результатов едва ли не больше, чем время расчётов, на основании которых эти результаты получены. Для учёта конечной формы детали обычно необходимо принять во внимание все особенности изготовления. В качестве иллюстрации вышесказанного обратите внимание на пример детали, оптимизацию которой выполняли инженеры Volkswagen (рисунок 2).

Также немаловажно, что часть времени (иногда значительная) обязательно уйдёт на обработку дизайна в SpaceClaim. Таким образом, процесс нахождения формы детали заметно увеличивается.

Теперь, когда вы знакомы с основными ошибками при топологической оптимизации, надеюсь, вам будет легче решать свои задачи нахождения оптимальной формы конструкции.

Статья подготовлена с использованием материалов сайта innovationintelligence.com