SOLIDWORKS 2018: Die Topologiestudie und einige Einflussfaktoren

In diesem Beitrag sollen einige Einflussfaktoren beim Arbeiten mit der neu in SOLIDWORKS 2018 eingeführten Topologiestudie beschrieben werden (als Bestandteil von Simulation Professional).

Schauen wir uns das Beispiel eines Trägers an, welcher mit einer verteilten Kraft belastet und an den abgeschrägten Ecken eingespannt wird.

Wir wählen die Standard-Methode “Bestes Steifigkeit-Gewicht-Verhältnis” aus und definieren einen Wert für die zu reduzierende Masse von 70%, d.h. der resultierende Entwurf soll nur noch 30% der Anfangsmasse aufweisen.

Nun können wir die Studie schon ausführen. Das Teil wird automatisch mit den Standardwerten vernetzt und der iterative Prozess der Topologieoptimierung startet.

So sieht die optimale Topologie für das beschriebene Szenario aus:

Nun wollen wir einige Fertigungsrestriktionen hinzufügen. Dazu findet sich in der SOLIDWORKS Hilfe folgende Beschreibung:

“Beim Optimierungsprozess wird ein Material-Layout entwickelt, das dem Optimierungsziel und allen von Ihnen definierten Zwangsbedingungen entspricht. Es ist aber u. U. nicht möglich, die Konstruktion anhand standardmäßiger Fertigungstechniken wie Gießen und Schmieden zu erstellen.

Durch Anwendung der korrekten geometrischen Steuerungen kann vermieden werden, dass Hinterschnitte und Hohlräume entstehen. Fertigungsrestriktionen sorgen dafür, dass die optimierte Form aus der Gussform extrahiert werden kann.”

Vier verschiedene Arten von Fertigungsrestriktionen (Beschränkungen) sind verfügbar:

„Beibehaltener Bereich“

Fügen Sie Ihrem Modell beibehaltene Bereiche hinzu, die bei einer Topologie-Optimierung nicht geändert werden.

„Entformungssteuerung“

Durch Hinzufügen von Entformungssteuerungen stellen Sie sicher, dass die optimierte Konstruktion herstellbar ist und aus einer Form extrahiert werden kann.

„Symmetriesteuerung“

Anhand der Symmetriesteuerung können Sie erzwingen, dass die optimierte Konstruktion symmetrisch zu einer bestimmten Ebene ist. Sie können Halbsymmetrie, Viertelsymmetrie oder Achtelsymmetrie für die optimierte Konstruktion durchsetzen.

„Dickensteuerung“

Wendet Bauteil-Größenbeschränkungen auf eine Topologie-Optimierung an, bei der das Erstellen sehr dünner oder sehr dicker Regionen verhindert wird, die möglicherweise schwer zu fertigen sind.

In der nächsten Studie wollen wir zwei davon verwenden:

Symmetrie:
Anhand der Symmetriesteuerung können Sie erzwingen, dass die optimierte Konstruktion symmetrisch zu einer bestimmten Ebene ist. Sie können Halbsymmetrie, Viertelsymmetrie oder Achtelsymmetrie für die optimierte Konstruktion durchsetzen.

Entformungssteuerung “Stanzen”:
Wenn mit dem Optimierungs-Algorithmus ein Element aus der Struktur entfernt wird, werden auch alle Elemente hinter oder vor dem Element entfernt (im Hinblick auf den Eckenvektor, der die Zugrichtung angibt). Im Beispiel wird ein optimiertes Kranhakenmodell mit einer Stanzsteuerung gezeigt.

Das Ergebnis ist hier zu sehen:

In der nächsten Studie wollen wir noch mehr Material entfernen, sagen wir 80%:

Hinweis: Standardmäßig werden alle Bereiche, welche mit Lasten oder Einspannungen versehen sind, automatisch „eingefroren“, d.h. die entsprechenden Elemente können vom Algorithmus nicht entfernt werden. Dies kann aber angepasst werden, z.B. ist es auch möglich, dass Material nur bei Bereichen mit Lasten zwingend beibehalten wird:

Zum Schluss verfeinern wir das Netz auf ein Drittel der ursprünglichen (Standard-) Größe. Damit erhält der Algorithmus mehr „Freiheit“ beim Finden einer optimalen Struktur:

Fazit:

Die Topologiestudie erlaubt eine Vielzahl an Anwendungen. Entwürfe mit dieser State-of-the-Art Technologie zu generieren oder optimieren kann im Hinblick auf Design, Qualität und Leistungsfähigkeit den entscheidenden Wettbewerbsvorteil verschaffen.

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