¿Cómo funciona la herramienta de optimización topológica en SOLIDWORKS Simulation?

¿Qué es la optimización topológica?

La optimización topológica nos permite aligerar nuestras piezas de forma automática mediante el método de elementos finitos. Con SOLIDWORKS Simulation podemos realizar estudios topológicos desde la versión 2018.

El estudio de topología nos pide unos datos básicos de la pieza (volumen de diseño, cargas, sujeciones, controles de fabricación y objetivos del estudio) y ejecuta un algoritmo iterativo que nos proporciona una pieza estructuralmente óptima.

Ésta es una herramienta pensada para sacar el máximo partido a la fabricación aditiva (aunque puede adaptase a otros procesos de fabricación). Las geometrías resultantes eran difíciles de fabricar con los métodos tradicionales, pero la impresión 3D tiene menos limitaciones y está abriendo las puertas a este tipo de tecnologías.

 

CASO PRÁCTICO

Para aprender cómo funciona la herramienta de optimización topológica, realizaremos un ejemplo típico. La pieza para optimizar es un soporte como el siguiente. Estará fijada por tornillos en la base y sometida a una carga en la parte superior mediante un pasador.

Para conseguir la pieza aligerada, vamos a pasar básicamente por tres etapas:

 

1º DISEÑO DE LA PIEZA INICIAL        2º ESTUDIO DE TOPOLOGÍA DISEÑO DE PIEZA OPTIMIZADA

Disponemos del diseño CAD inicial. Es funcional pero es macizo, con lo que se intuye que sobra material en algún sitio. El estudio va a indicarnos qué zonas de la pieza podemos aligerar.

Para empezar el estudio activaremos el complemento de Simulation y seleccionaremos el estudio de topología.

Una vez creado el estudio, habrá que definir las condiciones. Estas le permitirán al software crear la mejor topología para nuestro caso particular. Si has realizado análisis de elementos finitos anteriormente, verás que el procedimiento es muy similar.

Dichas condiciones serán las siguientes:

  • MATERIAL:

Las propiedades mecánicas del material que usemos influirán en el cálculo. En este caso utilizamos el acero aleado de la librería de materiales de SOLIDWORKS.

  • SUJECIÓN Y CARGAS:

La geometría final depende directamente de las cargas y sujeciones que se definan. La posición de éstas, junto con la dirección y magnitud de la carga, causarán una distribución concreta del material.

En nuestro ejemplo, aplicamos sujeciones de geometría fija alrededor de los taladros.

La carga es de 1000N y se aplica en los agujeros del pasador. La dirección de la carga la definimos a partir de un croquis creado previamente.

  • CONTROLES DE FABRICACIÓN:

Con los controles de fabricación podremos restringir la optimización en diferentes grados para que la geometría final cumpla con las limitaciones de nuestro proceso de fabricación. Este es un punto interesante para aquellos que vayan a fabricar su pieza por mecanizado, fundición, etc. Las restricciones incluyen la conservación de regiones, espesor mínimo, dirección de desmoldeo y planos de simetría.

Como nuestra pieza va a ser fabricada con impresión 3D, nos limitaremos a conservar las regiones de contacto.

  • OBJETIVOS Y RESTRICCIONES:

Los objetivos del estudio nos permitirán optimizar la pieza según diferentes criterios. Se puede definir como objetivo:

– Maximizar el ratio Rigidez/Peso.

– Establecer un desplazamiento máximo.

– Minimizar la masa.

La maximización del ratio rigidez/peso es la más recomendable para empezar y nos permite establecer en qué porcentaje queremos aligerar la pieza. Una reducción de un 50% dará un buen resultado para nuestro soporte.

  • MALLADO:

Finalmente procedemos a mallar el soporte. Como en cualquier análisis de elementos finitos, la calidad de la malla influirá en la precisión del resultado final.

Para un primer cálculo, podemos dejar la malla estándar con un tamaño de elemento medio.

EJECUCIÓN DEL ESTUDIO

 

Ya lo tenemos todo listo. Es hora de ejecutar el estudio e ir a por un café, porque esto puede tardar un rato.

 

 

Tarde o temprano SOLIDWORKS hace su magia y obtenemos algo que se parece a una parte optimizada:

En los resultados del estudio podemos modificar la masa final y hacer la pieza más ligera o pesada arrastrando la barra.

Finalmente se selecciona “Calcular malla suavizada” y SOLIDWORKS devolverá la malla de la pieza optimizada.

En este momento, ya podremos guardar la pieza como STL y proceder a imprimir.

Si no te convence el resultado por su geometría irregular, no hay ningún problema. Se puede exportar como malla de gráficos y usarla como guía para un nuevo diseño CAD.

 

 

RESULTADO

 

 

 

¡Un saludo y hasta la próxima!

Joan Catafal

 

 

CIMWORKS S.L

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