Optymalizacja topologii w Creo Parametric 5.0

Jedną z nowości wprowadzonych przez PTC w Creo 5.0 jest narzędzie do optymalizacji topologii modelu. Optymalizacja topologii to technologia dostępna na rynku już ponad 20 lat, ale przede wszystkim w postaci samodzielnych aplikacji. PTC, współpracując z firmą Vanderplaats Research & Development, zaimplementowało algorytmy optymalizacji topologii bezpośrednio w Creo. Dzięki temu konstruktorzy nie muszą odrywać się od pracy, by przejść do innego narzędzia – cały proces, od projektowania po wytworzenie, może odbywać się w jednym, spójnym i znajomym środowisku. Co więcej, Creo jako jedyne narzędzie na rynku oferuje możliwość automatycznego zbudowania zoptymalizowanej geometrii bryłowej na podstawie wyników otrzymanych w postaci geometrii fasetkowej.

Optymalizacja topologii to metoda matematyczna optymalizująca rozmieszczenie materiału w zadanej przestrzeni dla danego zestawu obciążeń, warunków brzegowych i utwierdzeń, której celem jest maksymalizacja działania układu. Metoda ta nie bierze pod uwagę kształtu, estetyki, tradycyjnego podejścia ani żadnych innych stosowanych zazwyczaj ograniczeń projektowych. W najprostszym ujęciu: mając dany układ obciążeń i utwierdzeń, algorytm wyznaczy materiał niezbędny do przeniesienia obciążeń.

Przeprowadzenie optymalizacji topologii w Creo Parametric 5.0 zaczyna się podobnie do przeprowadzenia analizy MES: należy zdefiniować zestaw obciążeń i utwierdzeń działających na model. Jako model wykorzystany został wahacz zawieszenia skutera śnieżnego Indy 800 firmy Polaris.

Rysunek 1. Wahacz skutera śnieżnego Polaris Indy 800

Rysunek 2. Model wahacza

Rysunek 3. Model wahacza ze zdefiniowanymi obciążeniami i utwierdzeniami

Po zdefiniowaniu warunków brzegowych, należy określić kierunek optymalizacji modelu. W tym celu stosuje się cel projektowy, jak np. energię odkształcenia postaciowego. Konieczne jest też zdefiniowanie ograniczenia projektowego, np. w postaci ułamka początkowej masy modelu.

Rysunek 4. Definiowanie celu i ograniczenia projektowego

Przed rozpoczęciem badania optymalizacyjnego konieczne jest też zdefiniowanie siatki elementów skończonych.

Rysunek 5. Siatka elementów skończonych nałożona na model

Po przygotowaniu wszystkich definicji można przeprowadzić badanie optymalizacyjne. Wynikiem analizy jest geometria fasetkowa o zmodyfikowanym kształcie, której wytrzymałość jest praktycznie taka sama, jak początkowego modelu.

Wyniki analizy można wyświetlić w postaci odkształconej i nieodkształconej, statycznie albo jako animację.

Rysunek 6. Geometria modelu otrzymana w wyniku optymalizacji topologii

Rysunek 7. Odkształcenie geometrii wynikowej z nałożoną geometrią nieodkształconą

Ostatnim etapem optymalizacji topologii jest przekształcenie uzyskanej w wyniku optymalizacji geometrii fasetkowej na typową geometrię bryłową. Jak już zostało powiedziane, Creo Parametric jest jedynym narzędziem, które oferuje taką możliwość w postaci zautomatyzowanej, a nie pracy ręcznej. Do rekonstrukcji otrzymanej geometrii wykorzystywane jest narzędzie Freestyle, generujące powierzchnie zachowujące ciągłość krzywizny.

Rysunek 8. Model bryłowy otrzymany ze zoptymalizowanej geometrii fasetkowej

Na koniec można porównać wyniki analizy MES początkowej wersji modelu z jego wersją zoptymalizowaną. Jak widać, maksymalne naprężenia zredukowane w pierwotnej wersji modelu wyniosły ok. 582 MPa, a dla modelu zoptymalizowanego ok. 587 MPa, przy czym lokalizacja występowania naprężeń jest taka sama. Maksymalne przemieszczenie wynosiło na początku 0.58 mm, a w zoptymalizowanej wersji wahacza zmalało do 0.35 mm, również nie zmieniając swojej lokalizacji.

Rysunek 9. Porównanie naprężeń wynikowych

Rysunek 10. Porównanie przemieszczeń wynikowych

Autor: Łukasz Mazur