Применение топологического и генеративного дизайна для снижения материалоемкости конструкций

Материаловедение

Кокцинская Е.М.

Научный журнал "Видеонаука"

 Аннотация. Современная тенденция снижения материалоемкости при проектировании конструкций требует применения новых инструментов – топологического и генеративного дизайна. На примере оптимизации конструкции георешеток показаны возможности этих инструментов.

Ключевые слова: снижение материалоемкости, топологический дизайн, генеративный дизайн, 3D-моделирование.

Application of topological and generative design to reduce the material intensity of structures

Abstract. The modern tendency to reduce material consumption in designing structures requires the use of new tools – topological and generative design. The capabilities of these tools are shown using the example of geogrid design optimization.

Key words: reduction of material consumption, topological design, generative design, 3D-modeling.

Применение топологического и генеративного дизайна для снижения материалоемкости конструкций

В современном мире наблюдается тренд по сокращению материалоемкости конструкций для большей экономической эффективности. В то же время моделирование свойств конструкций с помощью специализированных программ таких как Ansys, Comsol Multyphysisc, Elcut и других, уже прочно вошло в жизнь инженеров, ученых и постоянно развивается. Обзор доступных решаемых задач стал очень широк: от электрических, тепловых, механических, гидродинамических, акустических расчетов к совместно решаемым задачам (электротепловые, тепломеханические и другие) до узкоспециализированных задач, таких как диффузия, химические технологии, геологические расчеты и подобные. Объединившись друг с другом, два этих тренда создали еще одно новое направление - «топологический дизайн» с его последующей модификацией «генеративный дизайн» конструкций.

Топологический и генеративный дизайны конструкций стали развиваться совместно с развитием 3D-печати, которая, в основном, и делает возможным изготовление спроектированных такими методами изделий. Хотя если ориентироваться на традиционные технологии изготовления, то эти новые методы также интересны, поскольку дают возможность пусть не полностью реализовать спроектированный дизайн, но максимально учесть рекомендации по сокращению материалоемкости и реализовать их при существующих ограничениях.

Принцип топологического дизайна – рассчитать прочность конструкции, найти в ней наименее нагруженные места и убрать из него материал, при этом на конечной прочности конструкции это не сказывается, но материалоемкость значительно сокращается. Генеративный дизайн идет еще дальше – задаются лишь свойства материала, нагрузки на изделие, а дизайн программа предлагает сама. Существует много коммерческих программ, реализующих эти возможности [1].

Примеры внешнего вида изделий, спроектированных с помощью топологического и генеративного дизайна, представлены на Рисунке 1.

Рисунок 1. Изделия, спроектированные с помощью топологического и генеративного дизайнов.

Процесс топологической оптимизации схематично представлен на Рисунке 2.

Рисунок 2. Процесс топологической оптимизации [2].

Целью данной работы было снизить материалоемкость георешёток, которые применяются для укрепления грунта.

Соответственно, было необходимо решить следующие задачи:

1. Построить 3D-модели различных вариантов георешёток;
2. С помощью специализированной программы провести оптимизацию конструкции;
3. Посчитать массы конструкций до и после оптимизации.

Были разработаны 3D-модели для 3 вариантов металлических георешеток. Для топологического дизайна была выбрана программа Altair Inspire [3].

Altair Inspire — это программа для топологического дизайна, которая позволяет эффективно проектировать оптимальный с точки зрения массы, жёсткости и прочности конструкции.

С помощью Altair Inspire можно оптимизировать дизайн либо по критерию минимизации массы, либо по критерию максимальной жёсткости. 3D-модель может быть создана прямо в самой программе или же импортирована. Затем задаются граничные условия расчета – можно задать подвижность участков и нагрузки в рассчитываемой модели. В 3D-модели строится сетка конечных элементов, затем определяются критерии оптимизации. В результате программа строит новый дизайн, который можно сохранить как чертеж и использовать для 3D-печати, например.

Интерфейс программы, ее возможности и оптимизация конструкции георешетки приведены в Видео к статье.

В данном расчете был применен критерий оптимизации по массе, с условием снижения 30-50% от начальной. Варианты начальных и оптимизированных конструкций приведены на Рисунке 3.

Рисунок 3. Варианты начальных и оптимизированных конструкций

А – шестиугольник высотой 100 мм; Б – шестиугольник высотой 50 мм; В – двойная круглая высотой 100 мм.

Массы конструкций до и после оптимизации представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Массы конструкций до и после оптимизации.

Как видно из таблицы 1 критерий по снижению массы был соблюдён.

Интересной функцией программы является вариация «искусственного интеллекта», который сам генерирует разные варианты конструкции по заданному критерию (требуемое снижение массы или жесткости), но учитывая первичный дизайн. Примеры такой топологической оптимизации по массе представлены на Рисунке 4.

Рисунок 4. Различные варианты топологической оптимизации по массе заданной конструкции.

А – исходный вариант; Б – И – сгенерированные программой варианты по заданному критерию.

Выводы.

В результате проделанной работы была проведена оптимизация конструкции георешёток с помощью специализированной программы для топологического дизайна. Снижение массы новых конструкций составило 34-48% от начальной. Кроме этого, были спроектированы 8 новых вариантов дизайна георешеток с заданным критерием снижения материалоемкости. Таким образом, была показана эффективность применения топологического и генеративного дизайна для проектирования и оптимизации конструкций.

Литература:

1. Обзор софта для топологической оптимизации и бионического дизайна. URL: Обзор софта для топологической оптимизации и бионического дизайна / Хабр (habr.com) (дата обращения 26.09.2024).
2. W. Gebisa, H.G. Lemu. A case study on topology optimized design for additive manufacturing // IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering, 2017.
3. Accelerate Simulation-driven Design. URL: https://altair.com/ (дата обращения09.2024).

Автор:

Кокцинская Елена Михайловна – главный редактор журнала «Видеонаука», кандидат технических наук.

Author:

Koktsinskaya Elena - editor-in-chief of the magazine "Videonauka", PhD in technical sciences.

• Вперед >