Друзья приветствую Вас!
В этой статье я приведу пример для Вас как как можно оптимизировать конструкции на этапе проектирования.
В настоящее время существует два пути при создании новой
конструкции: параметрическая и топологическая оптимизация.
При параметрической оптимизации конструктор полностью
контролирует параметр или набор параметров, которые определяют форму
модели. То есть, конструктор самостоятельно решает какие параметры,
определяющие форму модели необходимо изменять в процессе
проектирования, чтобы добиться результатов, удовлетворяющих
техническому заданию, рисунок 1.
Во время топологической оптимизации, форма модели полностью
передаётся оптимизирующему алгоритму, что позволяет добиться необычных
результатов, не похожих на классический дизайн.
Другими словами, топологическая оптимизация – нахождение
наивыгоднейшего с точки зрения минимума массы распределения материала
в силовых конструкциях, рисунок 2.
1 Подготовка 3D-модели без вырезов
Создайте 3D-модель детали по эскизу, представленному на рисунке 3.
Для детали Уголок в качестве материала задайте Легированную сталь и
определите массу детали. Для этого выберите Инструменты → Вычислить →
Массовые характеристики…
2 Создание конфигурации детали
Опция конфигурация в SolidWorks позволяет в одном файле создавать
большое количество конфигураций одной детали (разные размеры, формы).
Для создания новой конфигурации перейдите на вкладку
ConfigurationManager и переименуйте существующую конфигурацию детали в
«Без выреза», рисунок 4.
Нажмите по названию Уголок Конфигурация правой кнопкой мыши
(ПКМ) и выберите пункт Добавить конфигурацию, рисунок 5.
Задайте имя новой конфигурации «С вырезом» и подтвердите создание
новой конфигурации нажав на кнопку подтверждения. После этого, новая
конфигурация автоматически станет активной (зелёная галочка активна). Если
это не так, то активируйте конфигурацию нажав 2 раза левой кнопкой мыши
(ЛКМ) на конфигурации «С вырезом», рисунок 6.
После этого создайте новый эскиз на боковой грани построенного
уголка, рисунок 7.
Из созданного эскиза создайте вытянутый вырез насквозь детали,
рисунок 8.
Теперь необходимо сделать так, чтобы созданный вырез применялся
только к конфигурации «С вырезом». Для этого в дереве построения модели,
нажмите ПКМ на операции Вырез-Вытянуть и выберите Конфигурация
свойства, рисунок 9.
В появившемся окне Изменить конфигурации погасите построение
Вырез-вытянуть для конфигурации «Без выреза», рисунок 10.
Если теперь переключиться на конфигурацию «Без выреза», то
построение Вырез-Вытянуть будет погашено.
3 Статический анализ для конфигурации «Без выреза»
Активируйте конфигурацию «Без выреза» и создайте новое
исследование Статический.
Задайте материал –Легированная сталь.
Задайте полное закрепление для граней двух отверстий, рисунок 11.
В качестве нагрузки приложите Давление к верхней грани детали Уголок
равное 5 МПа, рисунок 12.
Конечно элементную сетку задайте по умолчанию и запустите расчёт.
4 Обработка результатов статического исследования
конфигурации «Без выреза»
В результатах статического исследования активируйте эпюру
Напряжения1 (-VonMises-)
Нажмите ПКМ на цветовой шкале и выберите пункт Редактировать
определение, рисунок 13.
На вкладке Определение, в качестве единицы измерения выберите
N/mm^2 (MPa), рисунок 14.
Перейдите на вкладку Параметры графика и сделайте настройки
согласно рисунка 15.
После настройки нажмите на кнопку подтверждения. В результате
эпюра напряжений должна выглядеть следующим образом, рисунок 16.
В результате настройки, значения напряжений, возникающих в
конструкции, отображаются в системе СИ, а также на модели отображаются
точки максимальных и минимальных напряжений, возникающих в
конструкции под действие внешних сил.
Постройте эпюру распределения запаса прочности, рисунок 17.
Из рисунков 16 и 17 можно сделать вывод о том, что при воздействии на
верхнюю грань уголка давления равного 5 МПа, конструкции имеет
избыточный запас прочности равный 7,7. И без ущерба для конструкции
коэффициент запаса может быть уменьшен до 1,3.
5 Статический анализ для конфигурации «С вырезом»
Активируйте конфигурацию «С вырезом». Создайте новое исследование
– Статический 2.
Проведите статическое исследование конфигурации «С вырезом»
согласно пунктам 3 и 4.
6 Параметрическая оптимизация конфигурации «С вырезом»
Активируйте конфигурацию «С вырезом». Создайте новое исследование
– Исследование проектирования, рисунок 18.
Для параметрического исследования необходимо указать параметры 3Dмодели, которые будут изменяться. Для того, чтобы создать изменяемый
параметр, перейдите на вкладку Исследование проектирования 1 и в
выпадающем списке Переменные выберите Добавить параметр, рисунок 19
В появившемся окне Настройки в столбце Имя введите название
параметра L1 и нажмите ЛКМ на размер, указанный на рисунке 20.
В результате будет создан новый параметр L1, который связан с
размером 3D-модели, рисунок 21.
Создайте параметр L2 для размера, указанного на рисунке 22.
Создайте параметр L3 для размера, указанного на рисунке 23.
Таким образом было создано 3 параметра. Нажмите кнопку Применить
и закройте окно Настройки.
В списке Переменные появился только 1 параметр L1. Раскройте список
и добавьте параметры L2 и L3, рисунок 24.
Выберите Добавить датчик в списке Ограничения. В открывшемся окне
Датчик заполните все поля, как показано на рисунке 25.
После этого, датчик Напряжение появится в ограничениях.
Настройте данный датчик, чтобы напряжения были меньше, чем
500 МПа, т.е. коэффициент запаса по напряжениям не должен быть менее 1,5,
рисунок 26.
Добавьте новый датчик в список Цели, рисунок 27.
Таким образом, были определены переменные, которые будут
автоматически изменяться в указанных интервалах с целью минимизировать
массу детали Уголок. При этом, возникающие напряжения не должны
превышать максимально допустимые с коэффициентом запаса равным 1,5.
Нажмите кнопку Выполнить, рисунок 28.
7 Обработка результатов Исследования проектирования
конфигурации «С вырезом»
После окончания исследования появится таблица, в которой зелёным
цветом будет выделен оптимальный сценарий, который удовлетворяет
заданным ограничениям и целям. Серым цветом выделены сценарии, которые
тоже удовлетворяют ограничениям и целям, но не являются оптимальными.
Красным цветом выделен сценарий, который не удовлетворяет датчику
ограничения, рисунок 29.
Для того, чтобы посмотреть оптимальную конфигурацию, подведите
указатель мыши к названию столбца Оптимальная, курсор изменится на
изображение стрелки направленной вниз и нажмите ЛКМ. В результате чего,
модель перестроится согласно оптимальным параметрам, рисунок 30.
Перейдите к исследованию Статический2.
Из эпюры напряжений можно увидеть, что максимальные напряжения
увеличились, рисунок 31.
При этом коэффициент запаса прочности уменьшился по сравнению с
конфигурацией модели Без выреза и составил 2,8, рисунок 32.
Можно сделать вывод о том, что так как шаг изменения параметров L1,
L2 и L3 задавался равным 12,5 мм, то более оптимально решение могло быть
не найдено. Если уменьшить шаг изменения параметров до 1 мм, то расчёт
займёт довольно продолжительное время.
8 Топологическая оптимизация конфигурации «Без выреза»
Активируйте конфигурацию «Без выреза». Создайте новое
исследование – Исследование топологии, рисунок 33.
Создайте закрепления и внешние нагрузки аналогично, как и для
статического исследования конфигурации «Без выреза».
Нажмите ПКМ на пункте Цели и ограничения и выберите пункт
Наилучшее отношение жёсткости к массе (по умолчанию), рисунок 34
В появившемся окне отметьте галочкой пункт Ограничение массы и
напишите значение 60%.
Также отметьте галочкой пункт Ограничение напряжения/запаса
прочности. Из раскрывающегося списка выберите ограничение запаса
прочности впишите значение 1,5, рисунок 35.
Таким образом, целью исследования будет уменьшение массы при
ограничении коэффициента запаса прочности не менее 1,5.
Затем нажмите ПКМ на пункте Производственный контроль и выберите
Добавить сохранённую область, рисунок 36.
В качестве сохраняемых областей выберите внутренние грани двух
отверстий, а глубину сохранённой области выставьте равной 2 мм, рисунок 37.
Тем самым, мы указываем программе, что данные области не могут
изменяться в процессе исследования.
Снова нажмите ПКМ на пункте Производственный контроль и выберите
Указать направление извлечения из пресс-формы, рисунок 38.
В открывшемся окне в качестве направления извлечения из прессформы выберите Штамповка (только для направления натяжения). В качестве
направления натяжения выберите кромку параллельную направлению
выталкивания эскиза, рисунок 39.
Установите следующие настройки для создания сетки, рисунок 40.
После создания сетки запустите исследование на расчёт.
9 Обработка результатов Топологическая оптимизация «Без
выреза»
В результате топологической оптимизации была уменьшена масса
изделия, рисунок 41.
Так как размеры конечных элементов при создании сетки было
увеличено, с целью уменьшения времени расчёта, то модель выглядит
несколько угловато.
Цветовая шкала, расположенная справа показывает, какой материал
дополнительно можно убрать из модели с целью уменьшения массы.
Материал, обозначенный жёлтым цветом нельзя убирать, иначе возникающие
внутренние напряжения, возникшие при воздействии внешних нагрузок,
будут больше максимально допустимых. Всё, что обозначено другим цветом
можно убрать.
Нажмите ПКМ на пункте Масса материала1 и выберите Редактировать
определение, рисунок 42.
В появившемся окне Масса материала, переместите ползунок вправо, в
сторону облегчения, в результате эпюра массы материала максимально
уменьшилась, рисунок 43.
Самостоятельно создайте Эпюру проверки запаса прочности и
определите коэффициент запаса прочности.
10 Создание 3D-модели по результатам топологической
оптимизации конфигурации «Без выреза»
В нижней части окна SolidWorks перейдите на вкладку Модель,
рисунок 44.
В верхней части экрана SolidWorks нажмите на кнопку Просмотр
настроек и выберите пункт Экран Simulation, рисунок 45.
В появившемся окне поставьте галочку напротив пункта Масса
материала нажмите кнопку подтверждения, рисунок 46.
В результате этого, результаты топологической оптимизации будут
отображаться на экране 3D-модели.
Затем создайте новый эскиз на плоскости параллельной плоскости
отображения результатов топологической оптимизации, рисунок 47.
Используя различные примитивы для создания эскиза (линии,
окружности и т.д.) обведите модель, полученную после топологической
оптимизации, рисунок 48.
Отключите Экран Simulation и погасите видимость БобышкаВытянуть 1, рисунок 49.
Создайте 3D-модель с помощью Бобышка-Вытянуть, при этом
обязательно снимите галочку с пункта Объединить результаты, рисунок 50.
Самостоятельно создайте новую конфигурацию для 3D-модели
оптимизированной детали и присвойте ей имя «Оптимизация».
11 Статический анализ конфигурации «Оптимизация»
Активируйте конфигурацию «Оптимизация».
Самостоятельно проведите статический анализ оптимизированной
конструкции детали Уголок.
При настройке материала тел, исключите твёрдое тело 1 из расчётов,
рисунок 51.
Подписывайтесь и успехов в работе. Главный конструктор КБ «Семёнова» - Михаил Викторович Семёнов.