Топологическая оптимизация: понятие и возможности | Кейс МГТУ им. Н.Э. Баумана: как снизить вес изделия вдвое | Перспективы топологической оптимизации и аддитивного производства
В 1960‑х годах, наравне с появлением и развитием метода конечных элементов в контексте численных методов, начали развиваться теории структурной оптимизации. Уже к 80‑м годам прошлого столетия, с развитием автоматизированных систем, сформировались интересные и законченные идеи нового направления в проектировании – топологической оптимизации. Однако настоящий всплеск интереса к данной теме возник после активного развития трехмерной печати – появилась возможность создавать изделия сложнейшей геометрии.
Топологическая оптимизация: понятие и возможности
С научной точки зрения топологическая оптимизация – это математический подход, решающий проблему оптимального распределения материала в ограниченном пространстве, что удовлетворяло бы заданным параметрам. Более простым языком – это один из способов удалить в конструкции лишний материал, не меняя ее полезный функционал.
Топологическая оптимизация – способ итерационный, в его основе лежит метод конечных элементов. И суть его, на пальцах, довольна проста: с учетом нагрузок, граничных условий и указанных свойств определенные математические алгоритмы нужным образом поэтапно удаляют или добавляют уже удаленный материал в конструкцию.
Помогут ли 3D‑технологии оптимизировать производство в вашей организации? В iQB Technologies вы можете заказать следующие услуги: консультацию экспертов, заказ и внедрение 3D‑решений, обучение, тестовую 3D‑печать/3D‑сканирование, выезд специалистов на предприятие.
В качестве параметров для конечного результата выступают первым делом зоны вашей оптимизации – какие-то элементы вы можете сохранить и не подвергать изменениям, на другие наложить нужные условия. С помощью топологической оптимизации можно достичь довольно серьезной модернизации конструкции, например, уменьшить массу и объем, сохранив прочность, перераспределить и минимизировать внутренние напряжения, изменить деформированное состояние или собственные частоты и формы.
Эксперты iQB Technologies рекомендуют статью: Топологическая оптимизация геометрии изделия как путь повышения прибыльности предприятия
Кейс МГТУ им. Н.Э. Баумана: как снизить вес изделия вдвое
В большинстве случаев результатом топологической оптимизации является очень сложная форма и структура конструкции, имеющая так называемую бионическую форму, для реализации которой удобны аддитивные технологии.
Довольно интересный эксперимент провела кафедра «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана в кооперации с компанией «Русские машины». С помощью 24 датчиков, установленных на квадроцикл, после динамических испытаний было получено экспериментальное подтверждение и проведено цифровое моделирование нагруженности поворотной стойки передней подвески.
После симуляции более чем 40 виртуальных экспериментов и получения модели было принято решение провести модернизацию стойки подвески с помощью топологической оптимизации и 3D‑печати.
В результате расчета получена новая бионическая форма конструкции поворотной стойки, проведена проверка на прочность и интеграция в силовой механизм.
Перед изготовлением выполнена технологическая проработка процесса аддитивного производства, смоделировано коробление, расчетным путем найдены остаточные напряжения и геометрические отклонения от теоретической поверхности детали в процессе ее остывания после 3D‑печати. Материалом для печати выбран высокопрочный порошковый алюминий.
После 3D‑печати стойки по технологии селективного лазерного плавления порошка произведена томография напечатанной детали для контроля отклонений и величин дефектов в толще материала. Для наилучшего крепления стойки осуществлена механическая обработка присоединительных поверхностей. В конечном итоге произведена сборка и успешные испытания в составе квадроцикла.
В результате топологической оптимизации и аддитивного производства масса стойки уменьшена практически в два раза, процесс изготовления и последующей обработки значительно облегчен.
Работа проведена в МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с компанией «Русская механика» под руководством к.т.н., доцента Дениса Сергеевича Вдовина. Изображения предоставлены МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Читайте в блоге: 3D-печать металлом вакуумного захвата: на 94% легче, в 2 раза дешевле
Перспективы топологической оптимизации и аддитивного производства
На сегодня с научной точки зрения теория топологической оптимизации в целом завершена, понятны все формулировки, получены и обоснованы способы решения. Но остается актуальным вопрос ускорения этих расчетов, развития методов быстрой оптимизации и упрощения алгоритмов. Поэтому в данной области сейчас идет активная работа, прилагаются большие усилия как научного, так и технического характера.
Параллельно с этим в аддитивных технологиях развиваются системы симуляции процессов 3D‑печати, что позволяет прогнозировать и реализовывать стабильность механических характеристик и соответствие геометрии напечатанных изделий теоретическим размерам будущих объектов. Все это способствует проведению полноценных и верных расчетов. На реальных примерах и опыте хорошо видно, как обе эти сферы взаимно развиваются, что открывает новые горизонты на пути к Индустрии 4.0.
Статья опубликована 08.09.2022 , обновлена 29.12.2022
