СРАВНЕНИЕ СПОСОБОВ ДОРАБОТКИ ГЕОМЕТРИИ ПОСЛЕ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ В ПАКЕТЕ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ И СТОРОННИХ ПАКЕТАХ

Чтобы отвечать многочисленным требованиям, предъявляемым к надежности и качеству своей продукции, передовые компании на различных этапах проектирования все чаще прибегают к инструментам топологической оптимизации. Так как после топологической оптимизации поверхность тела не получается гладкой, а состоит из граней элементов сетки, оставшихся после оптимизации, то требуется ее доработка какими-либо способами. В работе рассматриваются и анализируются способы геометрической доработки конечно-элементной модели, полученной в результате топологической оптимизации. Также приводится сравнение способов доработки, реализованных в пакете для оптимизации со способами доработки, реализуемых в прочих пакетах.

Современные машиностроительные предприятия заинтересованы в повышении надежности и качества своей продукции при одновременном снижении ее веса и трудоемкости изготовления. Чтобы отвечать многочисленным требованиям, передовые компании на различных этапах проектирования все чаще прибегают к инструментам топологической оптимизации. Особенно данная технология проектирования актуальна для предприятий аэрокосмической отрасли, где важно минимизировать массу конструкций.

Так как после топологической оптимизации модель получается конечно-элементной, то есть состоящей из отдельных тетраэдрических элементов, то требуется ее доработка.

Топологическая оптимизация - это численный метод, который позволяет изменить форму рассматриваемого элемента или объекта путем удаления некоторой части области. Данный метод является задачей математического программирования, основная цель которой состоит в поиске распределения материала (плотности) по площади или объему.

Однако, результатом топологической оптимизации детали зачастую является сложная пространственная конструкция, производство которой экономически обосновано в тех случаях, когда задача снижения веса является приоритетной. Производство подобных деталей классическими методами (точение, фрезерование, штамповка) невозможно или является слишком дорогим, в таких случаях применяются аддитивные технологии 3D печати. 

После топологической оптимизации в пакете Ansys поверхность тела не получается гладкой, а состоит из граней элементов сетки, оставшихся после оптимизации. Для сглаживания поверхностей на 3D моделях в рамках данной работы выделены два метода: обрисовка геометрии с помощью примитивов с использованием САПР пакетов и использование автоматического сглаживания в специальных программных пакетах.

При реализации методов топологической оптимизации модель, полученная на выходе, состоит из отдельных конечных элементов с определенной плотностью. Грань каждого конечного элемента представляет собой концентратор напряжений и деталь с множеством граней (рис. 1) сложна для производства даже с помощью аддитивных технологий, поэтому модель нуждается в доработке.

Рис. 1. Конечно-элементная модель после топологической оптимизации

Выделяется два способа доработки геометрии:

Первый способ наиболее трудный в исполнении. Для его реализации необходимо сначала импортировать в САПР оптимизированную геометрию, после чего на основе примитивов и инструментов построения создать новую трехмерную CAD-модель.

Однако модели, полученные таким способом, наиболее технологичны и можно избежать появления множества концентраторов напряжений (рис. 2).

В пакете для оптимизации (ANSYS) данный способ доработки можно реализовать с помощью преобразования ломаной линии, получающейся в результате проекции контура на выбранную плоскость в сплайн. После чего действия с эскизом аналогичны прочим САПР пакетам. Преобразование ломаной в сплайн (команда fit curve) представлена на рисунке 3. Встроенный редактор геометрии удобнее для обрисовки в плоском эскизе, однако, интерфейс менее удобен и функционален при создании сложных трехмерных операций, чем в специальных САПР.

Второй способ – использование специализированного программного обеспечения для сглаживания сетки, например, Autodesk meshmixer,

MeshMixer - это программа от компании AutoDesk, находящаяся в свободном доступе. Это один из самых часто используемых пакетов для подготовки mesh-файлов (построения сетки). MeshMixer предлагает широкий выбор инструментов для подготовки и улучшения 3D моделей для 3D печати, в частности сглаживание сетки (доработки конечно-элементной модели) моделей подвергшихся топологической оптимизации.

Также сглаживание сетки можно провести в ANSYS spaceclaim direct modeler. Чтобы превратить этот объект в максимально гладкий поочередно используются следующие операции: Shrinkwrap – данная операция накрывает геометрию слоем новой сетки с равномерным размером сетки, которую можно выбрать самостоятельно;  Smooth – Сглаживание и Reduce –уменьшение числа граней. Эти действия повторяются, пока не будет получена поверхность, близкая к желаемой (рис. 4).  Однако, качество, подобное первому методу, не будет достигнуто и действия выполняются в ручную.

Рис. 4. Пример сглаживание сетки в autodesk meshmixer

Несмотря на немалое количество методов доработки геометрии, из-за особенностей изготовления часто используется способ обрисовки сетки примитивами в САПР, например, в рамках данной работы, исходя из прикладного характера работы и особенностей изготовления использовался способ обрисовки сетки примитивами в САПР NX10  (рис.2).

Заключение

Модели, полученные в пакетах САПР, более технологичны, имеют минимальное количество концентраторов напряжений по сравнению с моделями доработанными другими методами. Однако, данный метод более трудоемкий, менее автоматизированный и требует четкой и внимательной проработки всей модели. При использовании ANSYS spaceclaim direct modeler проще создавать двумерные эскизы, однако форма может получится нетехнологичной и иметь концентраторы напряжений и интерфейс для 3D моделирования более сложный в сравнении с традиционными САПР.

Использование специализированного программного обеспечения для сглаживания сетки очень простой, быстрый и удобный, однако качество подобное доработанной в пакете САПР модели не будет достигнуто. Сглаживание в direct modeler более трудоемкий процесс вследствие ручной доводки модели.

Способ доработки геометрии следует выбирать, исходя из назначения модели, и геометрии метода изготовления деталей.

Список литературы

1. Saleem W., Lu H., Yuqing F. 2008. Topology Optimization – Problem Formulation and Pragmatic Outcomes by integration of TOSCA and CAE tools. Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2008, WCECS 2008. SanFrancisco, USA: 6 p.
2. Simulation Driven Product Development / ANSYS. – URL: http://www.ansys.com (датаобращения: 08.08.2018).
3. Д.Д. Попова, Н.А. Самойленко, С.В. Семенов, А.А. Балакирев, А.Ю. Головкин: Применение метода топологической оптимизации для уменьшения массыконструктивно подобного кронштейна трубопровода авиационного ГТД// Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника- 2018. - №55. - С. 42-53.
4. SolidThinking Inspire / Altair Engineering, Inc. – URL:  https://solidthinking.com/product/inspire/ (датаобращения: 10.02.2019).
5. Autodesk MeshMixer / Autodesk – URL:  http://www.meshmixer.com/ (датаобращения: 10.02.2019).
6.  NX CAM - Industri / Simens– URL:  https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/nx/ (датаобращения: 10.02.2019).
7. Максимов П. В. Анализ методов доработки конечно-элементной модели после топологической оптимизации / П. В. Максимов, К. В. Фетисов // Международный научно-исследовательский журнал. — 2016. — № 9 (51) Часть 2 . — С. 58—60.

Шеин Андрей Родионович (25 марта 2019 г. 10:05)	День добрый, а какие-то расчеты проводились и была ли выбрана какая-то конкретная деталь для топологической оптимизации?
Шелякина Галина Геннадьевна (25 марта 2019 г. 10:23)	Здравствуйте. Да, расчеты проводились, деталь - кронштейн, похожая по конструкции на ту, которая представлена на рисунке  2. Спасибо.
Голубцова Маргарита Геннадьевна (25 марта 2019 г. 22:56)	Добрый вечер, Галина Геннадьевна! Получила удовольствие от чтения Вашего доклада о прикладном применении 3D моделирования деталей, что является продолжением дальнейшего совершенствования компьютерной графики, которую студенты начинают изучать на кафедре на первом курсе. С уважением, Голубцова М.Г.
Шелякина Галина Геннадьевна (26 марта 2019 г. 6:35)	Спасбо, Маргарита Геннадьевна, рада, что Вам понравилось, с уважением, Г.Г.
Сорокин Дмитрий Владимирович (26 марта 2019 г. 13:13)	Здравствуйте, коллеги! Очень модное и актуальное направление затрагивается в докладе, крайне важное для аэрокосмоса. Есть понятия топологической оптимизации  на микро-, и макроуровне. Ячеистые структуры. Для интересующихся данной темой, для кругозора,  книги и софт (платного и бесплатного) можно глянуть сюда:  http://www.topology-opt.com/software-list/  Цитата: "Получила удовольствие от чтения Вашего доклада о прикладном применении 3D моделирования деталей..." Для вдохновления по темам Прикладной геометрии и  Геометрического моделирования (ГМ), Компьютерной графики , наберите в поисковике фразы, можно поотдельности, можно и вместе: Topology optimization,  lattice structure. (картинки). Уверен, впечатлит аудиторию достижениями ГМ. С уважением, Д.В. Сорокин.
Бойков Алексей Александрович (26 марта 2019 г. 18:44)	Здравствуйте, Диана Дмитриевна, Никита Андреевич и Галина Геннадьевна! Спасибо за доклад. Тема, я считаю, актуальная и интересная.  с уважением, А.Бойков
Шелякина Галина Геннадьевна (27 марта 2019 г. 6:44)	Здравствуйте, Дмитрий Владимирович. Большое спасибо за ссылки, обязательно посмотрим, С уважением, авторы