Meine Highlights von SOLIDWORKS Simulation 2018: die neue Topologiestudie

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Mit der neuen Topologiestudie in SOLIDWORKS Simulation 2018 gibt es jetzt eine innovative und kostensparende Lösung, die es Konstrukteuren und Ingenieuren ermöglicht, bei der Entwicklung leistungsfähiger, innovativer und gewichtsoptimierter Produkte völlig neue Wege zu gehen. Basierend auf linear statischen Lasten und Randbedingungen entfernt die Topologiestudie so lange Elemente aus dem Finite-Elemente-Netz, bis die Zielmasse oder die Form erreicht ist, bei der das Verhältnis von Steifigkeit und Gewicht optimal ist. Dieser iterative Prozess der Elemententfernung wird von den Zwangsbedingungen der Studie wie maximal zulässige Verschiebung und Fertigungsrestriktionen beschränkt.

Schauen wir uns diese neue Studie anhand eines einfachen Beispiels, das ich neulich ausprobiert habe, mal an. Bei dem unten gezeigten Modell handelt es sich um einen einfachen gasunterstützen Scharnierhubmechanismus mit Gasdruckfeder. Der Entwurf der blauen Komponente sollte leichter werden, ohne dass die Steifigkeit leidet.

Der erste Schritt im Optimierungsprozess ist die Ermittlung der Belastungen, denen dieses Bauteil während des Einsatzes ausgesetzt ist. Das aktuelle Release der Topologiestudie kann nur auf Teile mit einem Körper angewendet werden. Jedoch entstehen die Lasten, die auf die Verbindung wirken, durch die Bewegungsabläufe der Baugruppe. Mit einer Bewegungsanalyse der Baugruppe können die Lasten an den Anschlusspunkten der Verbindung ermittelt und zur Analyse übertragen werden. Die Länge der gelben Pfeile im Bild unten geben die Lasten auf die blaue Verbindung sowie die Höchstlast am gasbetriebenen Federbein an.

In der Praxis hat es sich bewährt, vor der Topologiestudie eine statische Studie über das Teil laufen zu lassen, damit die angewendeten Lasten nicht zu einer Verletzung der linear statischen Annahmen kleiner Verschiebungen und Spannungen unterhalb der Streckgrenze der Komponente führen.

Das Erstellen einer Topologiestudie läuft genauso wie eine statische Studie ab: Materialien, Lasten und Randbedingungen sind dieselben. Es gibt jedoch zwei neue Einträge: Ziele und Zwangsbedingungen bzw. Fertigungsrestriktionen.

Ziel einer Topologiestudie ist entweder die Minimierung der Masse oder Verschiebung Ihres Teils oder die Maximierung der Steifigkeit (bestes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht). Üblicherweise beginnt man mit dem besten Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht (maximale Steifigkeit).

Sollten Sie während der Topologiestudie eine maximale Verschiebung der Komponente nicht überschreiten wollen, minimieren Sie über das Ziel die maximale Verschiebung oder minimieren Sie die Masse über die Verschiebungs-Zwangsbedingung. Sie werden feststellen, dass alle drei Ziele immer die Masse minimieren. Wie sich eine Änderung der Zielgewichtsreduktion auswirkt, sehen Sie in den Bildern unten.

Im letzten Schritt des Setups fügen Sie Fertigungsrestriktionen hinzu. Dieser Schritt ist optional, die Studie läuft auch ohne. Sie können damit aber sowohl die resultierende Form beeinflussen als auch die nachfolgenden Bearbeitungsmethoden berücksichtigen. Fertigungsrestriktionen sind beibehaltene Bereiche, mit denen Sie Modellbereiche aus dem Topologieprozess ausschließen, Dicke, mit der die minimale Dicke einzelner Strukturelemente bestimmt wird, sowie Modellsymmetrie und die Definition einer Zugrichtung beim Entformen, was eine Gussrestriktion darstellt.

SOLIDWORKS Simulation beinhaltet auch einen Lastfall-Manager, der für diese Simulation ideal ist. Damit können Sie die Mindestmasse einer Komponente bestimmen, die alle Lastvorgaben während des Scharnierbetriebs erfüllt.

Jetzt haben Sie Ihre Topologieergebnisse. Wie geht es weiter? Die Resultate einer Topologiestudie können unterschiedlich weiterverarbeitet werden. Das geglättete Netz kann direkt an einen entsprechenden 3D-Drucker zur additiven Fertigung gesendet werden. Allerdings muss vorher die Komponente mit den Druckmaterialien validiert werden.

Aber auch bei traditionellen Fertigungsprozessen kann die Topologiestudie gute Dienste leisten. Die Studienergebnisse können auch als Basis für eine konventionelle Fertigung, z.B. durch entsprechende Ausschnitte bzw. Taschen, weiterverwendet werden.

Topologieoptimierung, 3D-Druck und andere aufkommende Lösungen verändern unsere Erwartungen an das Produktdesign. Mit dem Release von SOLIDWORKS 2018 sind unsere Kunden jetzt in der Lage, mit diesen neuen Fertigungstechnologien und -prozessen innovative Produkte auf den Markt zu bringen. Die Topologiestudie kann mit generativen Verfahren kombiniert werden, sodass Unternehmen das Gewicht vorhandener Teile reduzieren und die Leistungsfähigkeit der Teile verbessern können (bestes Verhältnis von Festigkeit und Gewicht). Außerdem kann durch Kombination mehrerer verbundener Teile zu einem Teil die Gesamtzahl der Teile reduziert werden.


Schauen Sie sich das Video zur Topologieoptimierung unten an. Anschließend finden Sie auf der Webseite von SOLIDWORKS 2018 noch mehr Informationen.

Autor dieses Artikels: Hari Padmanbhan – Senior Product Manager, Definition, Dassault Systemes SOLIDWORKS

 

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