Регистрация / Вход
Прислать материал

Система проектирования конструкций на основе топологической оптимизации

ФИО
Сафонов Александр Александрович
Surname Name
Safonov
Организация
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех)
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Название доклада
Система проектирования конструкций на основе топологической оптимизации
Project title
Topology Optimization System
Резюме
Топологическая оптимизация конструкций является перспективным инструментом для современного проектирования. Такая оптимизация позволяет выбрать оптимальную форму конструкции в зависимости от задач проектирования. Наиболее известная постановка задачи — это получение максимальной жесткости элемента конструкции при заданной массе изделия. В
будущем такой тип анализа конструкций будет широко распространён и будет проводиться на всех этапах проектирования.
Ключевые слова
Топологическая оптимизация, аддитивные технологии, прочность конструкций, МКЭ
Тезисы

С развитием возможностей производства и развитием новых материалов возникает потребность в новых подходах в проектировании. Эта проблема очевидна в случае аддитивных технологий, когда есть возможность реализовать практически любую геометрию изделия. Такие возможности меняют отношение к проектированию, так как отсутствуют сдерживающие факторы, обусловленные технологическими ограничениями, такими как литье, штамповка, фрезеровка, ковка, а также токарные работы. В случае использования аддитивных технологий существенная часть конструкторского опыта будет обесценена и необходим подход, который
будет качественно новым. Такой подход существует - решением большинства конструкторских задач может быть топологическая оптимизация. Топологическая оптимизация изделия может быть реализована с нуля, с очень далеко напоминающей прототип конструкции геометрии. Во время оптимизации будут удалены все ненужные части проектируемого изделия. Предлагаемая нами идея - это создание системы проектирования элементов конструкций на основе топологической оптимизации. В программе предусматривается разработка систем по работе с моделированием изготовления проектируемого изделия. Предполагается моделирование кинетики кристаллизации металлов и фазовых превращений термопластичных и термореактивных полимеров, используемых в аддитивных технологиях. Реализация указанных подходов в одной программе позволит создать законченную систему проектирования, начиная с предложения геометрии будущего изделия, затем моделирования технологических процессов,
оценки коробления изделия и уровня остаточных напряжений, с окончательной выдачей геометрии для 3д принтера.

В качестве первого шага предлагается разработать программу реализующую топологическую оптимизацию на основе существующих и широко используемых систем прочностного проектирования (Abaqus, Ansys, Nastran). Такой подход, позволяет сохранить интерфейс привычной программы проектирования для инженера. Нет необходимости создавать модель в стороннем приложении. Результат оптимизации также доступен для анализа в привычном формате. Таким образом полностью решается проблема внедрения в уже существующий и отработанный процесс проектирования. Меняется сам подход к оптимизации, вместо передачи и постановки задачи в специальный отдел или специальному сотруднику, оптимизацию может выполнить пользователь в используемой в конструкторском бюро прочностной системы проектирования. Трудозатраты анализа оптимизации становятся равны типовому прочностному расчету.

Помимо сохранения естественной среды проектирования, в качестве инноваций можно отметить использование расчетного ядра выбранной системы проектирования. То есть, если инженер для прочностных расчетов использовал систему Abaqus, которая обладает определенными преимуществами и особенностями, то задача с оптимизацией также наследует эти свойства. Например, известно, что система Abaqus имеет продвинутые возможности по работе с контактными взаимодействиями, то предлагаемый топологический оптимизатор, автоматически имеет те же возможности. Таким же образом наследуются и другие возможности, например, любой тип элементов, варианты нагружения, сопряжение с мультифизикой, а также все типы моделей материалов. Использование расчетного ядра коммерческих систем проектирования дает возможность увеличить скорость анализа. Например, возможность использования графических процессоров для ускорения решения в системе Abaqus дает возможность предлагаемой системе топологической оптимизации поддерживать работу с видеокартами. При разработке изделия для 3д печати предлагаемый подход позволяет в той же системе проектирования (Abaqus, Nastran, Ansys) смоделировать технологический процесс изготовления.
Провести анализ коробления изделия, величин остаточных напряжений и возможного зарождения дефектов при изготовлении. Использование известных и проверенных временем коммерческих решателей, как базы для построения системы оптимизации позволяет проводить анализ динамических систем. Осуществлять оптимизацию для некоторых типов ударов и задач с существенно большими деформациями материалов. Такие типы анализа востребованы на рынке программ проектирования и не доступны для существующих на данный момент решений.

Далее перечисляются конкурентные преимущества предлагаемой системы оптимизации, которых нет в данный момент на рынке:
1) Увеличение скорости расчетов более чем на 30%. Следует из особенности реализации алгоритма, оптимизация происходит в процессе проведения моделирования воздействия на конструкцию.
2) Возможность использования графических процессоров. Увеличение производительности до 2.5 раз на одном компьютере с одним графическим ускорителем.
3) Высокая степень параллельности вычислений. Например, при использовании системы Abaqus коэффициент приращения производительности варьируется от 1,13 до 1,81.
4) Возможность использовать все инструменты инженерного моделирования без исключения, которые имеются в выбранном программном комплексе расчетного анализа (тип элементов, мат-модели конструкционных материалов, типы нагружения конструкций, температурные воздействия, типы контактов и т.д.)
5) Возможность топологического анализа динамических систем, например, соударение тел. Программа поддерживает динамический анализ и предлагает геометрию, оптимизированную по выбранным моментам времени. Топологическая оптимизация при воздействии динамического нагружения не реализована у конкурентов.
6) Сохранение привычной для инженера среды виртуального проектирования. Инженер использует интерфейс программы, в которой он работал ранее. Такой подход уменьшает время освоения разрабатываемой системы оптимизации конструкций с нескольких месяцев до нескольких дней.
7) Интегральная система проектирования конструкции, которая осуществляет полный цикл создания: от топологического анализа конструктивно-силовой схемы и анализа качества изготовления до передачи геометрии на 3д принтер.
8) Возможность оптимизации уже созданных моделей в тех или иных системах проектирования

Summary of the project
Structural topology optimization is a promising instrument of modern engineering. Using topology optimization an engineer can find an optimum shape of a structure meeting design requirements. One of the most commonly solved topology optimization problems is to maximize stiffness of a structural element while maintaining the weight of a structure. Such kind of structural analysis will be much needed in the future and will be conducted at all stages of a design process.
Keywords
, аддитивные технологии Topological optimization, additive technology, durability of structures, FEM