Если говорить сухим академическим языком, топологическая оптимизация — это процесс изменения конструкции, структуры детали и её варьирующихся параметров при заданном критерии оптимальности с сохранением или улучшением её функционала.
Рассмотрим на конкретных примерах, зачем данная технология необходима при создании сложных изделий и как она помогает оптимизировать производственные процессы на предприятии. Возьмём две детали, выполняющие одну и ту же функцию с определёнными нагрузками и имеющие определённый ресурс (рис. 1). По сути, это одна и та же деталь, но с разной геометрией. Геометрия первой детали оптимизирована для изготовления стандартными методами производства на фрезерном, токарном станке и средствами других металлообрабатывающих технологий. Это простая и плоская геометрия, её легко добиться при обработке на станке. У второй детали геометрия более сложная, и сделать её на станке представляет серьёзные трудности.
Геометрия без ограничений
Когда ещё не существовало аддитивных технологий, а были только субтрактивные, то вопрос геометрии не стоял так остро и решался доступными способами. Топологическая оптимизация позволяет изменить стандартную геометрию на геометрию, специально адаптированную под определённую технологию. И это может быть и традиционная технология (например, литье), и аддитивный процесс.
Согласно данным, у второй детали меньше напряжение, меньше перемещение под нагрузкой и, самое главное, вес уменьшился на 1 кг. Для одной детали немного, но если их выпускают сто тысяч в год, то суммарно мы можем сэкономить сто тонн металла только на одной детали.
Рис. 1. Оптимизация геометрии детали средствами аддитивных технологий
 |
|
|
| Масса | 3,703 кг | 2,670 кг (↓ 28%) |
| Максимальные напряжения | 1045/1045 МПа | 897/600 МПа |
| Перемещения под нагрузкой | 2,29/2,15 мм | 1,72/1,45 мм |
Программное обеспечение для топологической оптимизации не строит модель объекта с нуля. В него загружается геометрическая модель изделия, ранее изготовленного другим методом. Когда загрузили модель, мы отмечаем места, которые не подлежат изменению, например, крепления. Все остальное, что не попало в эти зоны, но принадлежит детали, является так называемой design space, то есть той зоной, где программа может менять геометрию. Затем мы в соответствии со служебным назначением изделия накладываем нагрузки, которые деталь должна выдерживать, то есть создаём силовую схему нагрузок. И далее в соответствии с заданными нами параметрами программа начинает создавать новую оптимизированную геометрию. Между неизменными местами для крепления она выстраивает новую модель, а затем анализирует напряжение в каждом сечении — выдерживает его сечение или нет. Если не выдерживает, то программа меняет сечение.
Процесс построения новой модели довольно затратный по времени и требует больших вычислительных ресурсов. Этот метод моделирования называется методом конечных элементов. Для каждой точки изделия программа составляет и решает интегральные уравнения, учитывая при этом взаимосвязи между всеми точками. В результате расчёта получается новая геометрия. Затем конструктор может изменить что-то в модели, если это необходимо. В итоге получается CAD-модель. Далее для верификации модель загружается в другое программное обеспечение, в котором она проходит финальную проверку на максимальные деформации, напряжения и пр. Затем геометрия утверждается и может быть передана в производство. При этом программное обеспечение умеет оптимизировать геометрию под разные виды производства: под литье, штамповку, ковку или под аддитивное производство.
Топологическая геометрия, как правило, имеет аморфные формы, в ней нет плоских, прямых линий, могут быть сплайны второго порядка. При соблюдении тех же самых свойств и нагрузочных характеристик такое моделирование позволяет уменьшить массу изделия, и, следовательно, сократить издержки на производство. Понижение массы изделия при сохранении функционала изделия — это задача номер один в самолетостроении, авиакосмической отрасли и автомобилестроении.
Создание ячеистых и сетчатых структур
В природе такие структуры встречаются очень часто (рис. 2). Кости птиц могут быть почти пустотелыми, а кость млекопитающих представляет собой жёсткую оболочку с губчатой структурой внутри. Это позволяет выдерживать те же нагрузки при меньших затратах организма на выращивание такой кости и меньшем весе.
Рис. 2. Создание решетчатых структур
Топологическая оптимизация даёт возможность делать решетчатые структуры разных форм и размеров (например, гексагоновые) или создавать ячеистую структуру, а снаружи — твёрдую оболочку. Стандартными методами такую структуру нельзя изготовить — только с использованием аддитивных технологий.
Сокращение числа единиц в сборке
Это ещё одно преимущество топологической оптимизации вместе с аддитивными технологиями. На рис. 3 изображён типичный сатуратор (смеситель жидкости с газом). Внутри трубы стоит маленький фильтр. Чтобы установить его туда, необходимо эту деталь сделать разъёмной в двух частях, сделать фланцы для крепления, а также прокладки, болты и т. д. С помощью аддитивных технологий можно в одном корпусе создать и саму трубу, и мелкий фильтр внутри, и канал вокруг для распределения газа (рис. 4).
Рис. 3. Схема смесителя жидкости с газом
Рис. 4. Оптимизированный смеситель в едином корпусе
В итоге получаем в едином корпусе единую деталь, одну единицу хранения (таблица). Отсутствует операция сборки, нет прокладок, которые могут течь, нет больших фланцев, на которые уходил металл.
 |
 |
|
|---|---|---|
| Показатель | Традиционная конструкция | Новая конструкция |
| Количество деталей | 12 | 1 |
| Вес (кг) | 1,3 | 0,05 |
| Объем (см3) | 401,920 | 45,263 |
| Количество прокладок | 3 | 0 |
| Время изготовления (мин) | 720 | 360 |
| Время сборки (мин) | 35 | 0 |
| Задействовано отделов предприятия | 4 | 2 |
| Производственные затраты (€) | 1,250 | 340 |
При анализе показателей видим, что вес детали уменьшился, прокладок нет, время сборки стало нулевым. Если мы уменьшаем вес детали в самолёте всего на 200 г, а в нем таких деталей 100, то мы экономим 20 кг, а при ресурсе самолёта в 25 лет это огромная экономия топлива или лишняя полезная нагрузка.
Таким образом, топологическая оптимизация — это программное обеспечение, которое создаёт геометрию без ограничений. ■
Алексей Чехович, ведущий технический эксперт iQB Technologies
<#link#Источник#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fadditiv-tech.ru%2Fpublications%2Ftopologicheskaya-optimizaciya-geometrii-izdeliya-kak-put-povysheniya-pribylnosti#>
