Аддитивные технологии в NX CAM.
Часть 2: Топологическая оптимизация

Топологическая оптимизация – один из самых важных инструментов, который позволяет внедрять аддитивное производство. Если просто напечатать на 3D-принтере деталь, которая уже производится традиционными методами, то мы получим ту же деталь, только в несколько раз дороже. Однако если требуется изготовить деталь, которая по своим функциональным возможностям будет соответствовать изготовленной традиционными методами, но при этом в 5 раз легче, то это тот случай, когда не обойтись без топологической оптимизации.

Обзор функциональных возможностей

Управление телами

Элементы оптимизации

Управление ограничениями

Управление нагрузками

Материалы

Настройка и выполнение оптимизации

Анализ результатов

Использование результатов оптимизации топологии

Обзор функциональных возможностей

Рабочий процесс топологической оптимизации в NX CAM отличается от традиционных решений оптимизации топологии и имеет следующие особенности:

1. Работа выполняется в рабочей детали NX CAD в контексте сборки.

2. Поддерживаются одно или несколько пространств проектирования. У каждого из них есть свои:

   • метод построения,
   • материал,
   • конструктивные ограничения,
   • конечно-элементные нагрузки и ограничения,
   • значение ограничения оптимизации (например целевая масса).

3. Конструкция модели учитывает функциональные требования к изделию, например:

   • сохранить/вычесть заданный объем;

   • цилиндрические отверстия должны иметь припуск материала вокруг отверстия;

   • отверстия должны быть обработаны цековкой для создания опорных плоскостей под различные крепежные элементы – шайбы, головки болта или винта и т. д.;

   • обеспечить зазор 5 мм от заданного тела.

4. Вы можете управлять уровнем разрешения.

5. Есть возможность создавать сглаженные, органические формы с острыми кромками, где это необходимо.

   

Топологическая оптимизация в контексте сборки

Оптимизация работает в рабочей детали NX CAD в контексте сборки. Позволяет пользователям ссылаться на геометрию в контексте сборки для:

• построения пространства проектирования;
• расположения соединительных отверстий, бобышек, выступов и т. д.;
• определения геометрии, которая должна быть сохранена/удалена в геометрии контекста;
• определения векторов нагрузки относительно геометрии контекста.

Компоненты сборки должны иметь WAVE-связь с рабочей деталью.

Одно или несколько пространств проектирования

Вы можете использовать одно пространство проектирования или выполнять оптимизацию топологии в контексте сборки.

Пространство проектирования – это тело, которое ограничивает пространство, предназначенное для работы оптимизатора.

Связанное тело – это любое тело, которое переносит нагрузки между пространствами проектирования. Это тело не оптимизируется.

Одновременно выполняется оптимизация нескольких пространств проектирования.

Пример блок-схемы алгоритма назначения пространства проектирования и связанных тел показан на рисунке ниже:

Пространство проектирования

Пространство проектирования – это оболочка, которую использует решатель оптимизации топологии. Поэтому, чтобы элементы оптимизации использовались в решении, они должны полностью или частично лежать в пространстве проектирования.

Пространство проектирования может быть:

• твердым телом (без ограничения методов построения)
• или замкнутым фасетным телом

Управление телами

Тела должны использоваться как пространство проектирования или как связанные тела. Тела должны существовать в рабочей детали.

Если тело является пространством проектирования, для него нужно определить

• конструктивные ограничения,
• элементы оптимизации,
• нагрузки.

Для связанных тел задаются

• элементы оптимизации и
• нагрузки.

Связанные тела

Связанные тела – это тела, которые не входят в пространство проектирования.

Соединения

Выбор двух тел позволяет пользователю создавать соединение между ними. Типы соединений бывают следующими:

• склееные,
• подобные типу склееного соединения в NX Nastran,
• жесткие.

Управление перекрывающимися телами допускает следующие действия:

• никаких изменений,
• тело A вычитается из тела B:
  EXTRUDE(12) from EXTRUDE(6),
• тело B вычитается из тела A:
  EXTRUDE(6) from EXTRUDE(12).

Области соединения

Чтобы поддерживать связь между двумя телами, необходимо добавить области соединения.

Элементы оптимизации

Пространства проектирования и тела соединения можно использовать в функциях оптимизации. Функциональные требования описываются с помощью функций оптимизации.

Некоторые функции моделирования NX сопоставляются с функциями объектов, подлежащих оптимизации. К ним относятся следующие типы:

• элементы цилиндр, блок и сфера;
• копированные грани;
• простое отверстие;
• отверстие с цековкой.

В список элементов оптимизации также можно добавить другие твердые тела (без ограничений по методу создания).

Элементы оптимизации могут описывать функциональные требования. Например:

• соединение болтом M8 требует зазор для торцевого ключа;
• элемент «отверстие с цековкой» имеет отверстие диаметром 8 мм и цековку диаметром 30 мм. Глубина цековки достаточно большая, чтобы обеспечить доступ гаечному ключу;
• требуется конический профиль;
• сохраняемый (Keep-In) цилиндр с уклоном, или элемент конус, или заметаемая окружность с уклоном, и т. д.;
• минимальный зазор 10 мм для обеспечения установки другого компонента сборки;
• связанное тело компонента с зазором 10 мм для безопасности;
• нагрузка в виде силы прилагается к части поверхности;
• грань разделяется для определения пределов применяемой нагрузки и функции копирования грани, используется для определения элемента оптимизации.

Комбинация пространств проектирования и элементов оптимизации определяет пространство, с которым должна работать оптимизация топологии.

Порядок списка элементов оптимизации может быть важен.

Если элементы оптимизации не пересекаются, пользователь имеет право упорядочить их в произвольном порядке.

Элементы оптимизации – свойства

Каждый элемент оптимизации имеет свойства, которые определяют его использование в оптимизации топологии. Некоторые функции имеют фиксированные свойства.

Элемент может быть определен как:

• Keep-In – после оптимизации топологии в этой области должен быть материал;

• Keep-Out – после оптимизации топологии в этой области не должно быть материала;
• Shell – эта опция создает вокруг выбранного элемента оболочку с постоянной толщиной стенки.

Отверстия с цековкой всегда определяются как Keep-Out.

Управление ограничениями

Ограничения проектирования

Ограничения проектирования задают правила управления геометрической формой в процессе оптимизации.

Доступные ограничения проектирования:

• плоская симметрия,
• поворотная симметрия,
• вытягивание вдоль вектора,
• уклон,
• заполнение пустоты,
• распространение материала,
• предотвращение свеса,
• самоподдержка.

Несколько ограничений проектирования

Применение нескольких ограничений проектирования может дать интересные и впечатляющие результаты. Порядок, в котором они применяются, также может сильно изменить результат.

В показанном примере в пространстве проектирования будет применена плоскостная симметрия, а затем вытягивание вдоль вектора. Это означает, что вытягивание вдоль вектора имеет приоритет над плоскостной симметрией в случае, когда оба они не могут быть выполнены.

Выбирая ограничение проектирования в окне списка, вы можете перемещать ограничение вверх и вниз, изменяя при этом порядок ограничений проектирования и результирующую геометрию.

Ограничения проектирования – в пространстве проектирования

Каждое пространство проектирования может иметь собственный набор ограничений проектирования.

Ограничение перемещения

Ограничение смещения может быть добавлено к элементу оптимизации в пространстве проектирования или связанному телу. Вы можете задать:

• значение смещения в любом направлении,
• значение смещения в определенном направлении.

Управление нагрузками

Случаи нагрузки

С помощью случаев нагрузки можно применять различные комбинации нагрузок. Например, передние нагрузки, боковые нагрузки, верхние нагрузки и т. д. Решение учитывает все случаи нагрузки.

Конечно-элементные нагрузки

Нагрузки применяются к элементам оптимизации для каждого пространства проектирования и связанных тел.

Доступные типы нагрузок:

• сила: действует в одном направлении;
• давление: нормальное, обычно применяется к элементам «Копия грани»;
• момент: применяется к элементам вращения;
• реакция опоры: применяется к элементам вращения;
• принудительное перемещение: вдоль вектора.

«Гравитационное ограничение» применяется к элементам оптимизации в пространстве проектирования и связанным телам.

Доступные ограничения:

• фиксированное: во всех направлениях;
• закрепленное: разрешено вращать вокруг вектора;
• линейный слайдер: разрешено скользить в направлении вектора;
• плоский слайдер: разрешено скользить в любом направлении по плоскости.

Глобальные нагрузки

Глобальные нагрузки применяются ко всей модели. Доступны следующие глобальные нагрузки:

• ускорение
  наиболее часто используется для добавления нагрузки гравитации для геометрии, которая как значительная масса может влиять на результаты.

• температура
  используется, когда деталь будет работать в условиях, в которых температура выше, чем нормальная 20°C, и материал имеет изменяющиеся от температуры свойства.

Материалы

Все объекты проектирования и связанные тела должны иметь материал, который задается перед оптимизацией. Поддерживается любое сочетание изотропных и ортотропных материалов.

• Изотропные материалы
  • свойства материала одинаковы во всех направлениях. Наиболее часто используемые и доступные свойства.
• Ортотропные материалы
  • свойства материала изменяются по осям X, Y, Z;
  • могут использоваться для имитации деталей, у которых свойства в направлении построения отличаются от свойств в плоскости;
  • ортотропная ось совпадает с глобальной осью.

Настройка и выполнение оптимизации

Типы оптимизации

Одна комбинация объектов оптимизации и ограничений.

• Минимизирует энергию деформации под действием массы.

• Увеличивает жесткость деталей, уменьшая массу до целевого значения.

• Каждое пространство проектирования имеет свою целевую массу.

Разрешение и оценка параметров оптимизации

Разрешение

В окне параметров оптимизации имеется ползунок, позволяющий пользователю выбирать разрешение между «Быстрое и грубое» (Fast & Coarse) или «Медленное и точное» (Slow & Fine). Значение, выбранное пользователем, важно для результатов, поскольку оно задает, насколько точной будет выходная модель. Во время грубого прохода, перемещая ползунок в направлении быстрого/грубого решения, можно увидеть, как работает Оптимизация топологии. Это позволяет пользователю увеличивать точность модели по мере необходимости.

Как только пользователь получит необходимый результат, перемещение ползунка вправо приведет к созданию более точной модели.

Оценка параметров оптимизации

В соответствии с выбранным разрешением эта опция вычисляет для каждого пространства проектирования:

• приблизительную массу области проектирования,
• минимальную целевую массу.

Запуск оптимизации топологии

Во время оптимизации топологии выполняется первый черновой проход для решения задачи подбора размеров элементов, а затем второй проход. Это гарантирует хороший результат.

Оптимизация топологии отображается на диаграмме.

После запуска оптимизации поле Состояние (Status) изменится на Построение сетки (Meshing). Это означает, что оптимизация завершена, и создаются модели результатов (сетки).

Окно журнала сообщает о результатах оптимизации для каждого пространства проектирования и связанных тел.

Геометрия после топологической оптимизации

Для каждого тела пространства проектирования и тела связи представлены три фасетные модели. Пользователь может использовать стандартные функции отображения NX для управления тем, что необходимо отобразить на экране.

Анализ результатов

Результаты деформации

Результаты деформации (значения) доступны для каждого тела пространства проектирования и связанного тела.

Показанные результаты представляют собой максимальные значения деформации во всех случаях нагрузки. Результаты являются количественными и могут быть с уверенностью использованы для анализа проектных решений.

Результаты анализа напряжений

Результаты анализа напряжений Von Mises доступны для каждого тела пространства проектирования и связанного тела.

Показанные результаты представляют собой максимальные значения для всех случаев нагрузки. Результаты являются количественными и могут быть с уверенностью использованы для анализа проектных решений.

Использование результатов оптимизации топологии

Оптимизация топологии – это не конечная операция проектирования, для многих деталей это только начало. Существует множество возможностей для использования результатов оптимизации топологии:

• выполнить прямую печать детали на 3D-принтере;
• использовать модель для отливки, создания пресс-формы или многоосевой обработки;
• использовать для дальнейшего проектирования или моделирования с использованием конвергентных моделей.

Конвергентная модель представляет собой новый формат данных Parasolid, представленный в Siemens NX CAM, – единый формат данных для обоих типов: NURBS и Facet. Существующие функциональные возможности моделирования можно использовать без ограничений.