Топологическая оптимизация позволяет с помощью МКЭ расчетов снижать массу и улучшать жесткостные характеристики конструкций. Начиная с 17 версии в ANSYS Workbench Mechanical включены широкие возможности по решению задач топологической оптимизации.
Под оптимизацией топологии понимают изменения в конструкции, включающие создание новых границ тела и удаление существующих. Целью топологической оптимизации является увеличение или уменьшение заданного свойства конструкции (например, уменьшение энергии деформации, увеличение главной собственной частоты) при удовлетворении определенных условий (например, снижение материалоемкости).
1. Декартова КЭ (конечно-элементная)
сетка оптимизируемой конструкции
2. Граничные условия и нагрузки: синим –
закрепления, красным – силы
3. Наборы элементов, исключенных из
пространства проектирования конструкции
4. Результат оптимизации – распределение
материала в конструкции
5. Необработанные контуры новой
топологии конструкции в формате STL
6. Граничные условия и нагрузки, приложенные
к конструкции после обработки
7. Автоматизировано построенная КЭ сетка
для новой топологии
8. Результат поверочного расчета – поле
напряжений в конструкции с новой топологией
Начиная с 17 версии в ANSYS Workbench Mechanical включены возможности по решению задач топологической оптимизации. Топологическая оптимизация, выполняемая средствами программного обеспечения ANSYS, выполняется в нескольких этапов.
На первом этапе проводится постановка и решение прочностной задачи методом конечных элементов (МКЭ) в ANSYS Mechanical. Для этого задается контурная геометрическая область конструкции, ее механические свойства, условия закрепления и действующие нагрузки.
ANSYS обладает обширной встроенной библиотекой свойств материалов для расчетов. Геометрия модели может быть импортирована из основных CAD систем: SolidWorks, Autodesk Inventor, PTC Creo, Catia v5, Solid Edge, Rhinoceros, SketchUp, Siemens NX, AutoCAD. При использовании иной CAD системы, как например Компас-3D, геометрия передается через один из многочисленных открытых форматов: Parasolid, STEP, SAT, IGES.
Нагрузки на конструкцию не только задаются в ANSYS Mechanical, но получаются в рамках многодисциплинарных расчетов или импорта из внешних файлов (как результаты сторонних расчётов). Так, например, может быть учтено давление, создаваемое потоком на крыло или приложена распределенная нагрузка согласно ГОСТ или СНиП.
После решения прочностной задачи начинается непосредственная работа по топологической оптимизации конструкции. Формулируется целевая функция – снижение податливости конструкции, испытывающей один или несколько вариантов нагружения, увеличение собственных частот, ограничение по деформациям или иная.
Для корректной работы алгоритма описывается пространство проектирования: определяется область конструкции, топология которой может меняться, и область, для которой изменения запрещены. Дополнительное удобство обеспечивают инструменты, контролирующие возможность изготовления получаемой топологии. Эти инструменты позволяют требовать соблюдения линейной или циклической симметрии топологии, проверять возможность изготовления детали путем литья или фрезеровки, отсутствие внутренних полостей. Также возможен контроль минимального или максимального размера вновь получаемых элементов топологии конструкции.
После задания всех необходимых настроек алгоритма оптимизации остается указать желаемый процент снижения материалоемкости и запустить расчет.
По итогам расчета ANSYS Mechanical позволяет экспортировать полученную топологию в формате STL. На этом можно заканчивать оптимизацию, но программное обеспечение ANSYS позволят сделать намного больше – а именно выполнить поверочный расчет.
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler, один из самых совершенных на рынке инструментов прямого моделирования геометрии, способен прочитать, проверить, исправить и существенно упростить STL геометрию. Обработанная в SpaceClaim STL модель конвертируется в формат, пригодный для повторного расчета.
ANSYS Meshing, основной сеточный генератор ANSYS, обладает специализированным алгоритмом построения качественной сетки на телах, обладающих сложной топологией и высокой сложностью поверхностей. Алгоритм позволяет получить сетку высокого качества без необходимости ручной подготовки геометрии.
После создания КЭ модели с новой топологией поверочный расчет в ANSYS Mechanical позволит быть уверенным в работоспособности облегченной конструкции.
